航空電子通信系統關鍵技術問題的淺析
摘要：現代航空電子綜合化技術的發展走走提高了飛機的性能，信息綜合化技術中最重要的技術之一就是航空電子通信技術。基于MIL—s11卜l553B總線，本文分析了航空電子通信系統設計中若干關鍵性問題的解決逢輕。最后著重說明了某機械ACT飛控系統1553/3總線通信網絡的實現技術。
關鍵詞：航空電子;通信;1553B總線
概述現代航空電子綜合化技術的發展太大提高了飛機的性能，航空電子綜合化的最關鍵基礎是機載通信網絡的組建。統計國內外機載電子通信系統，先進的大型民用飛機，如空中客車、渡音客機采用了ARINCA29或ARINC629建立了航空電子通信網絡：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分布式航空電子通信系統。無論軍民機，航空電子通信網絡能夠實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時性、機動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鍵性問題進行了分析說明，給出了先進可行的解決方案。最后以某機載ACT飛控系統的1553B總線通信網絡為例，著重說明了其實現技術。
1 航電通信系統幾個關鍵性問題的分析基于1553B多路傳輸總線網絡。航空電子信息綜合化的三個特點是：第一。以1553B總線方式將多個物理分布的子系統連接成網;第二，由于各子系統工作模式、控制對象及數據產生、傳輸、處理的實時性要求等不同，因而在網絡的布局、信息的傳輸控制方面各自會有特殊的要求;第三，雖然各個子系統是異步工作。但要完成飛行和作戰任務，一些共享信息需要在統一的時基上處理才有效。所以需要建立航電時鐘同步機制。因此，下面從航電通信系統的層次結構、網絡的拓撲結構、通信控制方案和航電時鐘同步設計等角度進行分析。
1.1 航電通信系統層次結構參考ISO的開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，接口應簡單，從而為硬軟件的設計實現奠定良好的基礎。
應用層是通信系統的最高層次，它實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)。
驅動層是應用層與底層的軟件接口。為實現應用層的管理功能，驅動層應能控制子系統內多路傳輸總線接口(簡稱MBI)的初始化、啟動、停止、連接、斷開、啟動其自測試，監控其工作狀態，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上的數據傳輸，傳輸層的任務包括信息處理、通道切換、同步管理等。
數據鏈路層按照MIL—STD一1553B規定。控制總線上各條消息的傳輸序列。
物理層按照MIL—STD一1553B規定，處理1553B總線物理介質上的位流傳輸。
應用層、驅動層在各個子系統主機上實現，傳輸層、數據鏈路層、物理層在MBI上實現。
1.2 通信網絡的拓撲結構選擇航電通信網絡的拓撲結構是指航電各個子系統物理上的互連結構。理論分析仿真和實際應用驗證(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總線電纜上。該結構適用于子系統數量較少、網絡通信負荷量較低的航電系統。
第二，多個單級總線拓撲結構，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。將不同類子系統分別連至2個或多個1553B總線上 該結構適用于子系統數量較多、網絡通信負荷量較重(單一級總線無法滿足)的航電系統。典型例子如將航電通信網絡組建為控制導航和武器管理兩個總線。
第三，多級總線拓撲結構，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，一般下級總線需接收上級總線的控制命令，同時向上一級總線回送工作參數。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(即下級總線)連網通信，最終各個子系統通過上級1553B總線互連的航電系統。該結構管理復雜。不僅要求設計好上下總線閫的硬件網關，而且要組織好上下級總線間的信息交換。
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、實時響應時問及通信的可靠性，從上述典型的網絡拓撲結構中優選或組合出最佳的通信網絡。
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標準” 不僅支持集中模式的靜態總線控制方案，而且支持分布模式的動態總線控制方案。
靜態總線控制方案是由一個固定的總線控制器管理1553B總線上所有子系統間的消息通信。該方案具有通信控制簡單、故障易檢測、硬軟件實現容易等優點，但存在集中控制網絡固有的單點故障造成通信癱瘓的致命缺點。
動態總線控制方案是指1553B總線上有若干個具備作為總線控制器的子系統，但一個時閫段上僅允許一個作為總線控制器。總線控制權的交接方式有兩種：時分制方式，即每個潛在的總線控制器被預先分配給固定的時間段來控制總線;循環交接控制權方式，該方式是按照各子系統的通信地址排列順序交接控制權，該方式較時分制方式管理復雜但效率高。動態總線控制方案具有分布控制網絡的優勢一通信網絡具備較強的可重構性和可靠性，卻帶來了通信控制復雜、故障檢測難、硬軟件實現難度大等缺點。
為滿足航電總體指標的要求，綜合分析靜態/動態總線控制方案的特點。宜采用雙余度靜態總線控制器互為備份方式，其結構如圖2所示。在此模式中，1553B總線上有兩個具備總線控制能力的控制器。兩者互為備份。上電時其中一個作為活動總線控制器管理總線通信。另一個則作為備份總線控制器;備份總線控制器一直監視活動總線控制器的工作狀況。一旦發現其出現不可恢復的故障時，即替代之成為括動總線控制器管理總線通信。該方案既具有通信控制簡單、故障易檢測、硬軟件實現容易等優點，又避免了單點故障造成通信癱瘓的致命缺點，是一種性能價格比優的可行控制方案。
1.4 時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時鐘進行工作，其間必然存在計時誤差問題。但為了實現各子系統之間的實時性任務和傳輸信息同步，要求航電通信系統提供一個統一的系統時間。
該時間的統一不僅是上電后的短時間內，而且在飛行中要一直保持。為實現這一需求，必須建立航電時間同步機制。該機制工作原理如下。
航電的每一個子系統均應具有一個時鐘分辨率和長度都相同的實時計時器(RTC)，各子系統的實時計時器上電后。自動開始記數。由航電總線控制器周期性向各個子系統廣播其實時計時器值，各個子系統按照此周期不斷的計算自己的RTC與總線控制器RTC之間的誤差，并以修正的統一的系統時間來處理實時任務。應根據航電系統及各個子系統對RTC精確度的要求。確定總線控制器廣播RTC的周期值。當需要高精確度時，該周期值應小;反之，該周期值應選大一些。
采用該航電時間同步機制，實現了航電系統各個子系統的時基統一，保證了整個飛機飛行和作戰高性能的發揮。
1.5 通信故障處理通信故障處理負責處理系統通信過程中發生的故障和錯誤。故障處理過程可分為臨時故障和永久故障，臨時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時間內或永久性存在的故障。
總線控制器對各個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行若干次重試，若故障消失則認定為臨時性故障;否則總線控制器將該故障記錄在案，認定為永久性故障。
總線控制器對判定出的故障子系統下網，僅按一定查詢周期去查詢故障子系統;而對判定出的故障電纜需作記錄。
非總線控制器所在子系統中發現的故障，分為以下三種處理方式：
第一，如果子系統中的多路總線接口硬件故障。
狀態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響應總線控制器命令。
2 某ACT飛控系統1553B總線通信網絡的實現技術上述的航電通信系統關鍵問題及其解決途徑，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通信網絡的組建，就要進行必要的優化設計。下面以某機載ACT飛控系統的1553B總線通信網絡為例，說明上述航電通信設計準則的具體應用技術。
某機載ACT飛控系統由4個子系統組成，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個通道，每一通道均需一個1553B通信接口(MBI)。這樣一來ACT飛控系統內部的1553B通信網絡共有7個節點。
首先。ACT飛控系統采用了基于1553B總線的分布式通信系統。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飛控系統網絡設計的正確性、清晰性、易修改性和高可靠性。
在網絡拓撲結構方面，ACT飛控系統的7個節點，正常情況下一個作為總線控制器(BC)，其余作為遠程終端(RT)。系統通信量不繁重且網絡所連節點較少。因而選擇單一級1553B總線拓撲結構既可滿足通信要求，又能夠方便實現。
在選擇通信控制方案時，必須從ACT飛控系統是飛機電子設備中最關鍵且可靠性要求最高的特點出發。為保證FLCC的萬無一失，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個嵌入式MBI，其中一個作為BC管理1553B總線通信，其余作為RT(備份Bc)工作。僅當活動的Bc出現故障時。由地址較小的RT頂替之成為BC開始管理1553B總線通信。這里不再詳述故障判定與處理等問題。
在時間同步方面，第一，ACT飛控系統的FLCCA余度通道間有嚴格的時間同步。這由FLO2內部時鐘系統實現，屬于多余度計算機設計范圍內的問題，與1553B通信網絡各個節點之間的時問同步層次不同;第二，FLCC、MBIT裝置、碼聲器和飛行參數記錄裝置之間155313總線信息的傳遞是按照FLCC的時間周期12.5ms進行的，其消息的更迭呈周期性時間特性;各個節點間沒有前面第二節所述對實時時鐘(RTC)同步的要求，故未在各個節點中增加基于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處理;第三，如果FLCC的BC發現MBIT裝置、碼聲器和飛行參數記錄裝置中任意一個出現通信故障，首先進行消息重試，若故障消失則認定為臨時性故障，否則對判定出的故障節點下網。
3 結束語
航空電子通信系統是一個復雜的機載分布式實時通信網絡，涉及到航空電子多路傳輸總線上所有的電子設備，其頂層設計的好壞直接影響到整個飛機的性能。上述的航電通信系統層次結構、網絡的拓撲結構、通信控制方案、航電時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鍵技術問題，文中提出的各項解決途徑及某機載ACT飛控系統的1553B總線通信網絡設計方案可供航空電子設計者與具體實現者作以參考
[參考文獻]
[1] 陳若玉。時分制指耷響應或多路待榆總巍標準。[s]GJE289A-97.
[2 ] DDC.M1L一 一1553 designer's gIlide.[S]、USA1998.
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