AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)分析

肖紅玉

摘 要：AFDX主要借助于成熟的以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)，在通信協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上均使用了全雙工以及雙冗余等方式，令其滿足航空電子系統(tǒng)在帶寬以及實(shí)時(shí)性方面的需求。文章主要對(duì)AFDX航空通信協(xié)議進(jìn)行研究，分析其硬件以及軟件的具體設(shè)計(jì)方式，旨在提高通信服務(wù)質(zhì)量，希望為相關(guān)工作人員提供一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AFDX航空通信協(xié)議;核心技術(shù);虛擬鏈路

0? 引言

AFDX航空通信協(xié)議是為大中型民用機(jī)以及軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)而成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已經(jīng)成為我國(guó)航空通信網(wǎng)絡(luò)的最佳手段。相關(guān)工作人員應(yīng)該重視此方面的研究工作，促進(jìn)AFDX網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 AFDX航空通信協(xié)議的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 航空電子子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

航電子系統(tǒng)是AFDX通信系統(tǒng)的重要組成系統(tǒng)，也是驗(yàn)證AFDX終端系統(tǒng)必不可少的輸入前端，當(dāng)前，前期項(xiàng)目就對(duì)飛機(jī)的駕駛艙進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要利用的就是AFDX系統(tǒng)。為了保證AFDX終端系統(tǒng)的兼容性，在對(duì)AFDX設(shè)計(jì)前期，還應(yīng)該在原有的系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)一個(gè)CAN總線式的通信模塊，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。該模塊是德國(guó)博世公司研究而成，現(xiàn)已成為世界上利用率最高的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN總線主要被應(yīng)用在汽車(chē)內(nèi)部一些強(qiáng)干擾的環(huán)境下，性能較強(qiáng)，已經(jīng)被大面積推廣。例如，1991年就已經(jīng)制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為CAN總線模塊朝著標(biāo)準(zhǔn)化以及現(xiàn)代化的方向發(fā)展，提供了較大的便利。

目前，航電子系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是DSP芯片TMS320F2812中嵌入了一個(gè)CAN總控制器模塊eCAN，可以與的CAN2.8較好地兼容起來(lái)。由于eCAN屬于32位結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)部嵌入硬核的方式就可以完成協(xié)議，完成CAN數(shù)據(jù)鏈的路層部分，eCAN模塊就含有內(nèi)部管理以及錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)構(gòu)管理，外部連線方式較為簡(jiǎn)單，只需要使用兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以將其與物理層連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)與全局網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

1.2? FPGA的硬件設(shè)計(jì)分析

當(dāng)前，市場(chǎng)中主要使用芯片為Xilinx，ALTERA，Lattice以及Actel等公司研發(fā)而成的，本文以Xilinx公司研發(fā)的、Virtex-II生產(chǎn)的8層0.12～0.15μmCOMS的金屬芯片為例，該芯片的內(nèi)部時(shí)鐘規(guī)律約為420 MHz，屬于一種速度較高、能耗較小的芯片。該新品除了功能較為靈活，還蘊(yùn)含較為豐富的資源，十分適合用來(lái)設(shè)計(jì)IP核與常規(guī)模塊。

FPGA的配置電路模塊主要有以下幾方面功能：（1）可以將該模塊中的DLL轉(zhuǎn)變成為數(shù)字時(shí)鐘管理模式，確保時(shí)鐘的靈活性。（2）通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)部的CLB模塊中嵌入4個(gè)Slice，增加系統(tǒng)的邏輯容量以及資源利用率。（3）在系統(tǒng)內(nèi)部嵌入專業(yè)性較強(qiáng)的乘法電路，進(jìn)一步提升信號(hào)處理速度。（4）可以配置多個(gè)RAM以及FIFO，增加系統(tǒng)存儲(chǔ)容量。（5）具有較多的IO接口，實(shí)用性較強(qiáng)。

1.3 物理層硬件設(shè)計(jì)分析

AFDX物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)較為相似，但是由于AFDX屬于冗余性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，物理層必須要有兩個(gè)完全相同的結(jié)構(gòu)，因此，為了確保兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以保持一致，工作人員應(yīng)重視物理層控制芯片的選擇工作。例如，選擇雙端口類(lèi)型的以太網(wǎng)物理層芯片[1]。近年來(lái)，大部分企業(yè)使用的均是美國(guó)Cortina公司研發(fā)而成的LXT937芯片，技術(shù)人員可以將AFDX系統(tǒng)的通信速度調(diào)整為100 Mbps。為了避免受到高通信速率的影響，提高服務(wù)質(zhì)量，必須要在信息數(shù)據(jù)處理后再將其接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，防止分離變壓器受到電磁干擾，影響通信質(zhì)量。

2 AFDX航空通信協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)分析

2.1 虛擬鏈接模塊設(shè)計(jì)分析

虛擬鏈接通常是在數(shù)據(jù)鏈的中層實(shí)現(xiàn)的，是從一個(gè)終端逐漸向多個(gè)終端傳播的過(guò)程，主要作用就是對(duì)實(shí)際電路的帶寬予以分時(shí)復(fù)用，提升對(duì)資源的利用率和服務(wù)質(zhì)量。由于一條鏈路往往包含較多的虛擬鏈路，虛擬鏈路是在通信開(kāi)始時(shí)才建立的，當(dāng)通信完畢后就可以拆除，不僅不會(huì)影響到終端系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，還可以保證虛擬鏈路之間能夠相互獨(dú)立，防止對(duì)線路造成干擾。虛擬電路的帶寬利用率對(duì)虛擬電路的影響較小，不會(huì)占用帶寬，但是也無(wú)法將自己的帶寬分享給其他的虛擬鏈路，以此確保信息不會(huì)混淆。

2.2 完整性檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)分析

完整性檢測(cè)模塊通常是在冗余管理之前，主要作用是檢測(cè)數(shù)據(jù)信息的完整性，因此，完整性模塊往往只在AFDX的終端系統(tǒng)中應(yīng)用，有利于消除無(wú)效幀，保證通信全網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

在無(wú)故障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，完整性檢測(cè)模塊只能發(fā)揮中繼作用，將接收到的信息數(shù)據(jù)傳遞到冗余模塊中，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，無(wú)故障網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的頻率較少。例如，AFDX的數(shù)據(jù)幀在打包過(guò)程中就封裝了一個(gè)8位數(shù)序列號(hào)的SN，發(fā)送終端根據(jù)序列號(hào)的增減順序，將其發(fā)送到數(shù)據(jù)模塊中，其中，SN為判斷信息數(shù)據(jù)有效性的標(biāo)準(zhǔn)。在利用完整新模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須要讀取這一標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)其滿足公式SN=PSN+1時(shí)，才能保證該數(shù)據(jù)的完整性，如果不滿足，就需要消除這一數(shù)據(jù)。其中，PSN代表相同虛擬電路中最接近SN的一個(gè)有效數(shù)據(jù)[2]。

2.3 冗余管理模塊的設(shè)計(jì)分析

AFDX屬于冗余系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)動(dòng)時(shí)就會(huì)被備份，當(dāng)數(shù)據(jù)都被接收到終端系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)較大的干擾。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)被傳送到上層前，工作人員就可以適當(dāng)去除掉一部分?jǐn)?shù)據(jù)，不僅可以節(jié)約系統(tǒng)資源，還可以提高資源的利用率。

該模塊的主要工作原理：當(dāng)在接收終端時(shí)，該系統(tǒng)通常是利用時(shí)間優(yōu)先的原則來(lái)辨別冗余幀，最先接收到的信息數(shù)據(jù)往往被看作成有效幀，從而被系統(tǒng)接收。

目前，對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)冗余管理時(shí)，主要是借助于SN以及SkewMax等作為的接收標(biāo)準(zhǔn)。一旦受到外部環(huán)境的影響，就會(huì)造成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間出現(xiàn)差別，致使據(jù)幀傳遞到接收端時(shí)間也有所區(qū)別，因此，工作人員則可以利用SkewMax標(biāo)準(zhǔn)來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間。通常，在冗余管理模塊，MLB可以保存最近一個(gè)傳遞到冗余管理中的模塊數(shù)據(jù)，在管理該模塊時(shí)，其數(shù)據(jù)必須要滿足以下條件：第一，數(shù)據(jù)幀中的SN必須要超過(guò)MLB中的SN;第二，互為冗余數(shù)據(jù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀，管理模塊的時(shí)間差應(yīng)該超過(guò)SkewMax[3]。

3 AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)的測(cè)試分析

工作人員需要對(duì)航電子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，為了測(cè)試該系統(tǒng)能否正常工作，通常需要將其接入到上一級(jí)系統(tǒng)中。將航電子系統(tǒng)作為航空面板的控制系統(tǒng)，檢測(cè)AFDX終端系統(tǒng)的功能，并將其添加到CAN模塊中，經(jīng)過(guò)測(cè)試后，CAN模塊可以達(dá)到正常通信的目的。另外，還需要對(duì)AFDX實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及AFDX端到端的延遲系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。利用示波器、AFDX網(wǎng)絡(luò)分散儀以及CAN模塊（見(jiàn)圖1），通過(guò)接收到的信息數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。除此之外，還可以結(jié)合OPNET的仿真結(jié)果，對(duì)網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)演算，充分發(fā)揮AFDX的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，加強(qiáng)對(duì)AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)研究工作，不僅有利于提高信息數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的可靠性以及速度，還能夠提升服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)重視此方面的研究工作，優(yōu)化AFDX的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低通信線路的用線量，完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高其性能，為我國(guó)航空電子系統(tǒng)朝著綜合化以及集合化的方向發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]汪寧.AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019（11）：4-6，9.

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[3]涂星濱，肖芳貴，許肖梅.水聲通信中一種新型無(wú)前后綴的單載波頻域均衡技術(shù)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2021（43）：1-9.

（編輯 姚 鑫）