航空電子通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的淺析

　　摘要：現(xiàn)代航空電子綜合化技術(shù)的發(fā)展走走提高了飛機(jī)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)�；�于MIL—s11卜l553B總線，本文分析了航空電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若干關(guān)鍵性問(wèn)題的解決逢輕。最后著重說(shuō)明了某機(jī)械A(chǔ)CT飛控系統(tǒng)1553/3總線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：航空電子;通信;1553B總線

　　概述現(xiàn)代航空電子綜合化技術(shù)的發(fā)展太大提高了飛機(jī)的性能，航空電子綜合化的最關(guān)鍵基礎(chǔ)是機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)的組建。統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外機(jī)載電子通信系統(tǒng)，先進(jìn)的大型民用飛機(jī)，如空中客車、渡音客機(jī)采用了ARINCA29或ARINC629建立了航空電子通信網(wǎng)絡(luò)：而現(xiàn)役和正在研制的飛機(jī)絕大多數(shù)則基于MIL—STD一1553B建立了多路傳輸總線分布式航空電子通信系統(tǒng)。無(wú)論軍民機(jī)，航空電子通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)航空電子設(shè)備的信息綜合，達(dá)到了航空電子信息綜合化的目的。值得注意的是軍機(jī)的高實(shí)時(shí)性、機(jī)動(dòng)性和可靠性等特殊指標(biāo)對(duì)航空電子通信系統(tǒng)提出了更高的要求。本文針對(duì)軍機(jī)航空電子通信系統(tǒng)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(jī)載ACT飛控系統(tǒng)的1553B總線通信網(wǎng)絡(luò)為例，著重說(shuō)明了其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　1 航電通信系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題的分析基于1553B多路傳輸總線網(wǎng)絡(luò)。航空電子信息綜合化的三個(gè)特點(diǎn)是：第一。以1553B總線方式將多個(gè)物理分布的子系統(tǒng)連接成網(wǎng);第二，由于各子系統(tǒng)工作模式、控制對(duì)象及數(shù)據(jù)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(tǒng)是異步工作。但要完成飛行和作戰(zhàn)任務(wù)，一些共享信息需要在統(tǒng)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(jī)制。因此，下面從航電通信系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信控制方案和航電時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行分析。

　　1.1 航電通信系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)參考ISO的開(kāi)放式互連系統(tǒng)七層模式，航空電子通信系統(tǒng)分為5層：應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖1所示。這5層之間功能劃分應(yīng)明確，接口應(yīng)簡(jiǎn)單，從而為硬軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。

　　應(yīng)用層是通信系統(tǒng)的最高層次，它實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)管理功能(如初始化、維護(hù)、重構(gòu)等)和解釋功能(如描述數(shù)據(jù)交換的含義、有效性、范圍、格式等)。

　　驅(qū)動(dòng)層是應(yīng)用層與底層的軟件接口。為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的管理功能，驅(qū)動(dòng)層應(yīng)能控制子系統(tǒng)內(nèi)多路傳輸總線接口(簡(jiǎn)稱MBI)的初始化、啟動(dòng)、停止、連接、斷開(kāi)、啟動(dòng)其自測(cè)試，監(jiān)控其工作狀態(tài)，控制其和子系統(tǒng)主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

　　傳輸層控制多路傳輸總線上的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層按照MIL—STD一1553B規(guī)定。控制總線上各條消息的傳輸序列。

　　物理層按照MIL—STD一1553B規(guī)定，處理1553B總線物理介質(zhì)上的位流傳輸。

　　應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層在各個(gè)子系統(tǒng)主機(jī)上實(shí)現(xiàn)，傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層在MBI上實(shí)現(xiàn)。

　　1.2 通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇航電通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指航電各個(gè)子系統(tǒng)物理上的互連結(jié)構(gòu)。理論分析仿真和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證(如F一16、F一18、A一10、B一52等軍機(jī)應(yīng)用)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下三種：

　　第一，單一級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，航電所有的子系統(tǒng)均連接到同一1553B總線電纜上。該結(jié)構(gòu)適用于子系統(tǒng)數(shù)量較少、網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷量較低的航電系統(tǒng)。

　　第二，多個(gè)單級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，航電的各子系統(tǒng)按功能相近或相互閫通信交換信息頻繁度分類。將不同類子系統(tǒng)分別連至2個(gè)或多個(gè)1553B總線上 該結(jié)構(gòu)適用于子系統(tǒng)數(shù)量較多、網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷量較重(單一級(jí)總線無(wú)法滿足)的航電系統(tǒng)。典型例子如將航電通信網(wǎng)絡(luò)組建為控制導(dǎo)航和武器管理兩個(gè)總線。

　　第三，多級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。至少存在通信功能層次高低有別的兩級(jí)1553B總線，一般下級(jí)總線需接收上級(jí)總線的控制命令，同時(shí)向上一級(jí)總線回送工作參數(shù)。該結(jié)構(gòu)適用于航空電子中部分子系統(tǒng)的功能單元數(shù)量較多、各單元需要1553B總線(即下級(jí)總線)連網(wǎng)通信，最終各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)上級(jí)1553B總線互連的航電系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)管理復(fù)雜。不僅要求設(shè)計(jì)好上下總線閫的硬件網(wǎng)關(guān)，而且要組織好上下級(jí)總線間的信息交換。

　　航電通信設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)機(jī)載電子設(shè)備的數(shù)量、通信的吞吐量、實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)問(wèn)及通信的可靠性，從上述典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)一“指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)” 不僅支持集中模式的靜態(tài)總線控制方案，而且支持分布模式的動(dòng)態(tài)總線控制方案。

　　靜態(tài)總線控制方案是由一個(gè)固定的總線控制器管理1553B總線上所有子系統(tǒng)間的消息通信。該方案具有通信控制簡(jiǎn)單、故障易檢測(cè)、硬軟件實(shí)現(xiàn)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)總線控制方案是指1553B總線上有若干個(gè)具備作為總線控制器的子系統(tǒng)，但一個(gè)時(shí)閫段上僅允許一個(gè)作為總線控制器。總線控制權(quán)的交接方式有兩種：時(shí)分制方式，即每個(gè)潛在的總線控制器被預(yù)先分配給固定的時(shí)間段來(lái)控制總線;循環(huán)交接控制權(quán)方式，該方式是按照各子系統(tǒng)的通信地址排列順序交接控制權(quán)，該方式較時(shí)分制方式管理復(fù)雜但效率高。動(dòng)態(tài)總線控制方案具有分布控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)一通信網(wǎng)絡(luò)具備較強(qiáng)的可重構(gòu)性和可靠性，卻帶來(lái)了通信控制復(fù)雜、故障檢測(cè)難、硬軟件實(shí)現(xiàn)難度大等缺點(diǎn)。

　　為滿足航電總體指標(biāo)的要求，綜合分析靜態(tài)/動(dòng)態(tài)總線控制方案的特點(diǎn)。宜采用雙余度靜態(tài)總線控制器互為備份方式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在此模式中，1553B總線上有兩個(gè)具備總線控制能力的控制器。兩者互為備份。上電時(shí)其中一個(gè)作為活動(dòng)總線控制器管理總線通信。另一個(gè)則作為備份總線控制器;備份總線控制器一直監(jiān)視活動(dòng)總線控制器的工作狀況。一旦發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)不可恢復(fù)的故障時(shí)，即替代之成為括動(dòng)總線控制器管理總線通信。該方案既具有通信控制簡(jiǎn)單、故障易檢測(cè)、硬軟件實(shí)現(xiàn)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(jī)制由于航電系統(tǒng)的各子系統(tǒng)均分別按自己的計(jì)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行工作，其間必然存在計(jì)時(shí)誤差問(wèn)題。但為了實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)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(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)間。

　　該時(shí)間的統(tǒng)一不僅是上電后的短時(shí)間內(nèi)，而且在飛行中要一直保持。為實(shí)現(xiàn)這一需求，必須建立航電時(shí)間同步機(jī)制。該機(jī)制工作原理如下。

　　航電的每一個(gè)子系統(tǒng)均應(yīng)具有一個(gè)時(shí)鐘分辨率和長(zhǎng)度都相同的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)器(RTC)，各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)器上電后。自動(dòng)開(kāi)始記數(shù)。由航電總線控制器周期性向各個(gè)子系統(tǒng)廣播其實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)器值，各個(gè)子系統(tǒng)按照此周期不斷的計(jì)算自己的RTC與總線控制器RTC之間的誤差，并以修正的統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)間來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)。應(yīng)根據(jù)航電系統(tǒng)及各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)RTC精確度的要求。確定總線控制器廣播RTC的周期值。當(dāng)需要高精確度時(shí)，該周期值應(yīng)小;反之，該周期值應(yīng)選大一些。

　　采用該航電時(shí)間同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了航電系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)基統(tǒng)一，保證了整個(gè)飛機(jī)飛行和作戰(zhàn)高性能的發(fā)揮。

　　1.5 通信故障處理通信故障處理負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)通信過(guò)程中發(fā)生的故障和錯(cuò)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(xiàn)的偶然性故障;而永久故障是由于子系統(tǒng)或通信電纜的硬件故障造成的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)或永久性存在的故障。

　　總線控制器對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)報(bào)告的或電纜出現(xiàn)的通信故障，首先在雙余度電纜上按系統(tǒng)要求進(jìn)行若干次重試，若故障消失則認(rèn)定為臨時(shí)性故障;否則總線控制器將該故障記錄在案，認(rèn)定為永久性故障。

　　總線控制器對(duì)判定出的故障子系統(tǒng)下網(wǎng)，僅按一定查詢周期去查詢故障子系統(tǒng);而對(duì)判定出的故障電纜需作記錄。

　　非總線控制器所在子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的故障，分為以下三種處理方式：

　　第一，如果子系統(tǒng)中的多路總線接口硬件故障。

　　狀態(tài)字中的終端標(biāo)志位就應(yīng)置位;第二，如果子系統(tǒng)中出現(xiàn)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(tǒng)標(biāo)志位就應(yīng)置位;第三，如果子系統(tǒng)中主機(jī)CPU停止了工作。應(yīng)禁止MBI響應(yīng)總線控制器命令。

　　2 某ACT飛控系統(tǒng)1553B總線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)上述的航電通信系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題及其解決途徑，是一通用性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。具體到某航空電子通信系統(tǒng)或某一些特殊的航電分系統(tǒng)內(nèi)部1553B通信網(wǎng)絡(luò)的組建，就要進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面以某機(jī)載ACT飛控系統(tǒng)的1553B總線通信網(wǎng)絡(luò)為例，說(shuō)明上述航電通信設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的具體應(yīng)用技術(shù)。

　　某機(jī)載ACT飛控系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)組成，它們是：飛控計(jì)算機(jī)(眥)、機(jī)上維護(hù)BIT(MBIT)裝置、碼聲器和飛行參數(shù)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(tǒng)內(nèi)部的1553B通信網(wǎng)絡(luò)共有7個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　首先。ACT飛控系統(tǒng)采用了基于1553B總線的分布式通信系統(tǒng)。因而上述的航電通信系統(tǒng)5層結(jié)構(gòu)同樣可以適用。采用該層次結(jié)構(gòu)保證了ACT飛控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的正確性、清晰性、易修改性和高可靠性。

　　在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，ACT飛控系統(tǒng)的7個(gè)節(jié)點(diǎn)，正常情況下一個(gè)作為總線控制器(BC)，其余作為遠(yuǎn)程終端(RT)。系統(tǒng)通信量不繁重且網(wǎng)絡(luò)所連節(jié)點(diǎn)較少。因而選擇單一級(jí)1553B總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既可滿足通信要求，又能夠方便實(shí)現(xiàn)。

　　在選擇通信控制方案時(shí)，必須從ACT飛控系統(tǒng)是飛機(jī)電子設(shè)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，作為總線控制器的FLCC采用互為備份的4余度通信控制設(shè)計(jì)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總線通信，其余作為RT(備份Bc)工作。僅當(dāng)活動(dòng)的Bc出現(xiàn)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(tǒng)的FLCCA余度通道間有嚴(yán)格的時(shí)間同步。這由FLO2內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，屬于多余度計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的問(wèn)題，與1553B通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)問(wèn)同步層次不同;第二，F(xiàn)LCC、MBIT裝置、碼聲器和飛行參數(shù)記錄裝置之間155313總線信息的傳遞是按照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(jié)點(diǎn)間沒(méi)有前面第二節(jié)所述對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)同步的要求，故未在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中增加基于RTC的同步機(jī)制。

　　最后在故障處理方面，第一，F(xiàn)LCC采用了冗余設(shè)計(jì)思想。實(shí)現(xiàn)了4余度MBI互為備份的方案，這樣MBI出現(xiàn)故障不至于影響系統(tǒng)整體性能;第二，一旦F1J：C的BC出現(xiàn)故障，F(xiàn)LCC內(nèi)部其他的RT可監(jiān)視到其故障出現(xiàn)并及時(shí)處理;第三，如果FLCC的BC發(fā)現(xiàn)MBIT裝置、碼聲器和飛行參數(shù)記錄裝置中任意一個(gè)出現(xiàn)通信故障，首先進(jìn)行消息重試，若故障消失則認(rèn)定為臨時(shí)性故障，否則對(duì)判定出的故障節(jié)點(diǎn)下網(wǎng)。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　航空電子通信系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)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上所有的電子設(shè)備，其頂層設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)飛機(jī)的性能。上述的航電通信系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信控制方案、航電時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)和通信故障處理等均是航空電子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，文中提出的各項(xiàng)解決途徑及某機(jī)載ACT飛控系統(tǒng)的1553B總線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案可供航空電子設(shè)計(jì)者與具體實(shí)現(xiàn)者作以參考

　　[參考文獻(xiàn)]

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