新一代箭載高速光纖總線技術研究與應用*

郭 萌 張宏波 柳 柱 薛 寧 梁 爍

（北京航天自動控制研究所 北京 100854）

1 引言

近年來，隨著我國航天器控制系統(tǒng)、計算機、傳感器等技術的不斷發(fā)展，航天電子設備日益趨向于高度集成化、智能化和信息綜合化，箭上信息傳輸量大幅增加。新一代火箭控制系統(tǒng)比任何時候都更依賴高帶寬、強實時、開放式的數據通信來進行多方數據綜合處理從而提高其控制性能，這也對新一代箭載總線提出了更新更高的要求。

傳統(tǒng)的箭載控制系統(tǒng)總線主要使用的是20 世紀70 年代初期美國空軍萊特實驗室提出的飛機內部時分指令/響應式多路傳輸數據總線［1］——MIL-STD-1553B。1553B 總線網絡在航天領域得到了很大的應用與發(fā)展，且均取得了巨大的成功［2］，但其典型的1Mbps 的帶寬和32 個終端數量極大地限制了其拓撲架構的可拓展性，已不能滿足如今高帶寬的復雜航天控制系統(tǒng)的應用。此外，由于傳統(tǒng)總線功能的不完備性，控制系統(tǒng)中還存在多種總線并存、數據傳輸錯綜復雜的特點，不同設備間使用不同總線傳輸不僅檢測可靠性差，故障診斷難度也較大。傳統(tǒng)總線帶來的多方面問題已經成為制約航天控制系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

伴隨著航天電子綜合系統(tǒng)結構的復雜化和大數據量通信傳輸需求急劇增加的應用背景需求，將光纖傳輸技術應用于航天控制系統(tǒng)已成為當今控制系統(tǒng)總線技術的重要研究和發(fā)展方向之一。本文提出了一種基于FC-AE-1553 協(xié)議的命令響應式串行光纖總線——GLink 高速光纖通信總線（以下簡稱GLink 總線）。該總線在繼承了光纖通道高帶寬、低延遲、高可靠性的傳輸特性同時，又具備了極高的應用靈活性和低功耗結構特性。GLink 總線的技術研究滿足了新一代箭載通信的對高速、強實時、一體化等需求，具有重要的國防軍事意義與應用價值。

2 光纖通道協(xié)議介紹與研究

2.1 光纖通道協(xié)議層介紹

光纖通道協(xié)議（Fibre Channel，FC）是由美國國家標準委員會（ANSI）制定的一種高速串行計算機通信協(xié)議，具有帶寬高、延遲低、拓撲結構靈活、對距離不敏感等優(yōu)點，傳輸速率可達10GB。光纖通道憑借其優(yōu)異性能被大量應用于航空航天高速電子設備互連當中，如F-18E/F、AH-64Apache、B-1B、V22 等，在未來軍用領域有很大的前景［3～6］。光纖通道協(xié)議主要分為5 層模型結構，各層結構如圖1 所示。其中FC-0 接口與媒體層，用來定義物理鏈路及特性；FC-1 傳輸協(xié)議層，定義了編碼/解碼方案、字節(jié)同步和有序集；FC-2 鏈路控制層，定義了傳送成塊數據的規(guī)則和機制；FC-3 通用服務層；FC-4 協(xié)議映射層，定義高層協(xié)議映射到低層協(xié)議的方法［7］。

圖1 光纖通道協(xié)議

FC-AE-1553 協(xié)議（Fiber Channel-Avionics Environ-ment-Upper Layer Protocol MIL-STD-1553B Notice 2）是一種命令/響應式總線，是基于FC-AE底層協(xié)議在FC 上層映射MIL-STD-1553B 協(xié)議［8］，使得FC-AE-1553 兼顧對傳統(tǒng)MIL-STD-1553B 網絡的保留與繼承，便于原有型號應用移植的平滑過渡。FC-AE-1553 協(xié)議在終端數量、帶寬、子地址等功能上有了極大的擴展，網絡互連能力較傳統(tǒng)MIL-STD-1553B 有了質的飛躍。GLink 總線在FC協(xié)議的基礎上對FC-AE-1553 各層協(xié)議進行了分析與裁剪，并根據新一代箭載總線的實際應用需求進行了設計。

2.2 GLink底層協(xié)議研究

GLink 總線在FC-0 層采用并串/串并轉換（SERDES）實現高速數據通信，利用CDR 技術從數據流中恢復時鐘和數據。傳輸介質可包含電傳輸和光傳輸兩類，如雙絞線、同軸線纜、單?；蚨嗄９饫w，支持板上、板間、機間和機外傳輸。根據FC-0協(xié)議規(guī)定，光纜支持最高到10km 的點到點連接長度，適應目前箭載控制系統(tǒng)所有介質的不同距離不同用法。

在FC1層，GLink總線根據FC協(xié)議定義采用了8B/10B 編解碼方式，每8bit 字節(jié)采用10bit 編碼。這樣的編碼方案保證了有足夠的信號傳輸數量，以支持線性同步，并能傳送特殊的控制字符［9］。在FC-2 層，FC 協(xié)議完成了幀格式的定義、交換的管理、流量控制機制、CRC 校驗等。流量控制方面Glink 總線采用的是FC 協(xié)議中定義的緩沖到緩沖（buffer-to-buffer）的流量控制方式，根據接收方緩沖的容量來確定發(fā)送控制的信用值（credit），表示當前已發(fā)送但還未被確認的幀的數目，并根據實時發(fā)送幀和接收到R_RDY 原語信號來對信用值進行加減。通過比較信用值與接受緩存設定的值的大小關系，可判斷出目前鏈路的擁堵狀態(tài)進而實現發(fā)送接受仲裁。同時，GLink 總線采用CRC 校驗原理對收發(fā)數據進行校驗，可實現大容量、高速度、高可靠性和高效的信息傳輸，可以有效地提高系統(tǒng)的檢錯能力［10］。

2.3 拓撲結構研究

FC-AE 協(xié)議中定義的主要基本拓撲結構為環(huán)狀拓撲和交換拓撲，為滿足航天控制系統(tǒng)的可靠性需求，基本拓撲主要以雙向環(huán)和雙冗余交換機的拓撲型式作為典型應用。典型拓撲結構介紹如下。

1）雙向環(huán)設計

雙向環(huán)拓撲如圖2 所示，通過采用正、逆向雙環(huán)結構增加仲裁環(huán)的余度和可靠性。雙向環(huán)中環(huán)節(jié)點任意兩個設備間可通過順時針或逆時針方向進行數據通信，容忍在順時針或逆時針方向存在一路鏈路故障而不影響通信正常完成。

圖2 雙向環(huán)拓撲

2）雙冗余交換拓撲

雙冗余交換拓撲（圖3）是在典型交換拓撲的基礎上根據航天實際應用需求設計的應用拓撲架構。通過使用雙冗余交換機，可實現航天設備通道間的物理隔離和冗余備份，從而實現航天設備通信數據的雙冗余傳輸，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。

圖3 雙冗余交換拓撲

3）混合拓撲

為滿足箭上系統(tǒng)設備間多樣的數據類型和復雜的連接需求，GLink總線在滿足以上基本的交換網絡和環(huán)網絡外，還支持多種形式的混合拓撲，可根據不同箭載系統(tǒng)的實際需求和控制系統(tǒng)的特點進行混合和使用。如圖4 所示，雙向環(huán)可基于橋接節(jié)點實現多個環(huán)的混合拓撲。在該拓撲架構中，通過橋節(jié)點實現多個雙向環(huán)網絡之間的級聯(lián)。

圖4 混合雙向環(huán)拓撲

圖5 為一種典型的雙向環(huán)/交換混合的應用拓撲。在該拓撲架構中，橋節(jié)點通過連接在雙冗余交換機上實現了交換網絡與雙向環(huán)網絡的級聯(lián)，基于此拓撲，連接在交換網絡中的設備可以和連接在環(huán)網絡中的任一設備進行數據交互，實現了混合拓撲的通信。

圖5 混合拓撲

3 Glink總線網絡節(jié)點設計及關鍵技術研究

3.1 網絡節(jié)點設計

FC-AE-1553 協(xié)議中定義NC 為網絡控制器，即交換發(fā)起者；NT 為網絡終端，即交換響應者。Glink 總線采用FC-AE-1553 提供的十種傳輸格式中的NC-to-NT 和NT-to-NC 以及模式碼傳輸格式進行信息傳輸，采用與傳統(tǒng)MIL-STD-1553B 相同的“命令+響應”的消息結構實現通信。GLink 網絡內傳輸由網絡控制器NC主動發(fā)起，網絡終端NT接收到NC 發(fā)出的有效命令幀后，向NC 發(fā)出響應；NC確認響應正確后，結束當前傳輸。GLink 總線基于FC-AE-1553 協(xié)議設計的網絡終端節(jié)點模塊如下圖6所示。

圖6 網絡節(jié)點模塊結構組成

GLink 總線網絡終端節(jié)點模塊以基于FPGA 開發(fā)的IP核模式實現了網絡控制器NC、網絡終端NT和監(jiān)聽NM 三大塊功能，可在Xinlinx K7、V7、Z7 系列等帶有GTX/GTH 資源的FPGA 中進行移植使用。采用與BU61580相似的存儲器管理架構，可在保留軟件架構的前提下，實現從傳統(tǒng)MIL-STD-1553B 通信平滑過渡到光纖通信。為滿足實際應用中總線上控制流和大數據流兩類典型傳輸業(yè)務的需要，設計出了控制流NC（CtrlNC）和智能NC（SmartNC）兩類NC和控制流NT（CtrlNT）和智能NT（SmartNT）兩類NT?？刂屏鱊C、NT 的主要特征在于提供CPU訪問接口和存儲緩沖管理機制，適用于有處理器參與數據處理的數據傳輸量較小的應用場合；智能NC、NT 的主要特征在于對外提供FIFO訪問接口和單次大數量傳輸，除滿足控制流傳輸外，還可以滿足圖像或視頻類數據傳輸業(yè)務需求，適用于由FPGA 器件直接處理傳輸數據的無CPU或減少CPU處理負荷的場合應用場合。

FC-AE-1553與傳統(tǒng)1553B總線的一個重要區(qū)別在于，在FC-AE-1553 網絡中可允許同時存在一個或者多個網絡控制器，為多數據源并發(fā)提供了基礎。GLink 總線在此基礎上，對每一個節(jié)點均基于協(xié)議實現了控制流NC、NT和智能NC、NT的集合功能，可根據數據傳輸需要可以配置為單功能站點或NC/NT 混合功能站點?；诖?，GLink 總線網絡內各NC 終端均可以自主發(fā)起數據傳輸，也支持多個處于NC模式下的網絡終端同時對一個處于NT模式下的網絡終端發(fā)起訪問。NT網絡終端按照時間順序依次對各NC進行響應，極大地提高了網絡效率。

3.2 關鍵技術研究

1）通道雙冗余發(fā)送和去冗余接收

傳統(tǒng)1553B 總線傳輸消息僅可在單通道上發(fā)起傳輸，且傳輸速率較慢，若當前使用的通道存在瞬態(tài)故障時，發(fā)送端需等待較長的超時時間后才能啟動重傳操作，對數據的實時性產生了較大影響。為有效避免單通道瞬態(tài)/永久故障帶來的重傳需求，設計在發(fā)送數據時同時在A、B兩個通道上發(fā)出有效負荷完全相同的數據；對于接收數據的網絡終端，負責接收A、B兩個通道上相同拷貝的數據，并在接收站點上自動實施去數據冗余操作，避免了因單通道傳輸可能產生的故障影響傳輸效率和可靠性。

2）重傳管理

由于環(huán)境或鏈路等產生的故障從而導致的傳輸失敗需要總線進行識別并組織數據重傳，但傳統(tǒng)總線不區(qū)分重傳與新數據的操作會使得網絡終端可能對相同數據響應多次從而影響數據順序接受。為使重傳的數據與新發(fā)起的傳輸區(qū)別開來，總線通過記錄上一條接收命令的時間標記對比從而識別出重傳消息或新消息，進而實現對一條消息只響應一次的目的，保障網絡終端接受數據的完整性。

3）傳輸業(yè)務按優(yōu)先級分類管理

同時間段內控制系統(tǒng)總線上可能存在多種數據類型，其傳輸特性的需求也不盡相同：比如控制指令要求低傳輸延遲特性的傳輸業(yè)務，遙測數據則數據量相對較大，對傳輸延時要求不高。為適應系統(tǒng)對于不同數據流需求的輕重緩急性質不同，對于發(fā)起數據傳輸設計出了傳輸的不同優(yōu)先級配置，總線內通過FC-2層的流量控制對實時帶寬進行分析監(jiān)控，從而分配不同優(yōu)先級業(yè)務的帶寬傳輸。

4 GLink總線的系統(tǒng)應用及驗證

4.1 GLink總線的系統(tǒng)應用

火箭的電氣系統(tǒng)與控制總線的拓撲結構息息相關，各個設備間的信息交互關系都可由總線拓撲架構體現。環(huán)型拓撲相對實現成本低廉，且雙環(huán)的冗余設計保障了因單一鏈路故障導致的整個環(huán)路傳輸失敗，提高了可靠性。但由于環(huán)上所有節(jié)點均數據轉發(fā)共享帶寬，設備越多，環(huán)拓撲延遲越大，因此實時性效果較差，不適宜傳輸數據量較大的信息。因此在實際使用中，環(huán)型拓撲適合多個對帶寬和時延要求不高的需要相互交互的設備連接使用。

交換型拓撲可同時支持多個設備通信并且不共享帶寬，因此能提供更多的冗余帶寬，為實時消息傳輸提供了更好的保證。交換型拓撲還具有熱插拔特性，可在保證其他設備通信的條件下進行設備的增加和刪除，保證級間分離后處于工作狀態(tài)的電氣系統(tǒng)設備間能夠繼續(xù)可靠通信，這保證了交換網絡有比環(huán)型拓撲更高的可靠性和確定性。因此適合火箭級間分離設備和對帶寬要求較高的設備使用。交換網絡物理鏈路與信息流向一致，拓撲結構簡單，但仍具有占用資源較大，長通信線纜多等問題。

近年來，隨著任務復雜程度的提高，環(huán)境要求變得更為苛刻，所需處理的數據復雜程度和數據負荷量都有了質的飛躍，對傳輸的可靠性和帶寬有了更高的要求。基于以上各類拓撲的特點，根據實際環(huán)境利用GLink 混合拓撲能夠很好地支撐火箭復雜集成度高、小型化等問題，實現全系統(tǒng)各層級總線一體化應用互聯(lián)。典型的箭上拓撲架構使用如圖7所示。

圖7 典型箭上拓撲架構

箭上所有設備全部基于GLink 總線進行通信。根據火箭的分級結構及每級的特性，總線采用了交換+環(huán)的混合拓撲進行布局：根據火箭的分級結構，每級采用交換機作為級間連接，保證級間分離后處于工作狀態(tài)的電氣系統(tǒng)設備間能夠繼續(xù)可靠通信?？紤]到箭上控制系統(tǒng)通常以箭載計算機為中心進行各個系統(tǒng)的大量數據交互和傳送，可將箭載計算機作為總線控制器端（NC）并采取冗余措施提高可靠性［11］。箭上其他非關鍵傳感器類設備可采用單節(jié)點方式接入。系統(tǒng)總線每級的交換機采用雙冗余機制，保障通信的冗余性和可靠性。交換拓撲可最多支持4096 個設備；采用交換機可以拓展每級可連接的設備，可以滿足目前日益增長的設備數量和日益增高的通訊數據傳輸率。交換機還具有全網無遺漏監(jiān)聽功能，通過交換機網絡內任意一級交換的本地監(jiān)聽端口，可實現對各級交換機內數據通信的無遺漏監(jiān)聽。

箭上設備可分為機內和機外設備。由于機外更容易處于不穩(wěn)定或惡劣的環(huán)境，可能對鏈路產生影響，因此為增強可靠性，對于機外設備優(yōu)先考慮連接在本級的雙冗余交換機上，保證通信的可靠性。對于機內設備，由于機內設備間多用鏈路連接多走插板或背板式，鏈路質量相對保障性高，因此對于需要互相通信的場合可以采用更加節(jié)約資源的環(huán)狀拓撲，通過將環(huán)狀拓撲連接到交換機上可使機內機外設備互相通信，主機板可迅速掌握各設備的狀態(tài)并根據情況進行處理。

對于地面測發(fā)控控制，GLink 總線提供最長距離可達10km 的光纖通訊通道，使得自動化程度高的遠距離測試發(fā)控模式成為可能。為保證電氣系統(tǒng)測試時箭地指令發(fā)送與數據傳輸質量，特別是某些應急操作的可靠性，地面設備通常采用雙機熱備冗余方式連接至冗余網絡［12］，此時可同時采用雙冗余交換拓撲保障數據通訊。此外，地面測試設備可通過GLink 總線在地面通過監(jiān)聽獲取箭上交換機全網設備間的通訊數據并進行分析測試，從而實時掌控各設備的運轉情況和運行階段?；贕Link總線，火箭控制系統(tǒng)可實現從箭上到地面、從機內到機外外真正的箭地通信一體化。

4.2 系統(tǒng)搭建及驗證

為測試GLink 總線技術功能是否正常，以及設計的拓撲機構是否能滿足火箭控制系統(tǒng)實際使用，設計了GLink 總線混合拓撲驗證系統(tǒng)。系統(tǒng)包含總線控制器、交換機、橋三類設備，均為基于FPGA的成熟的IP 核實現的設備，CPU 通過EMIF 接口對設備進行配置和狀態(tài)查詢。

設備板卡構成框圖如圖8 所示，IP 核移植在Xilinx K7 410t 系列FPGA 端，可實現總線控制器、交換機、橋三類設備的核心功能。板卡采用DSP6713 通過EMIF 接口對設備的寄存器和存儲器進行功能配置和數據讀寫。板卡提供16個GTX 高速口和光口，IP 核傳輸的數據通過FPGA 提供的GTX端口與光電模塊進行連接，并采用光纜進行設備間的連接和傳輸。

圖8 光纖總線設備板卡構成圖

圖9即為GLink總線混合拓撲驗證系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了兩級交換機級聯(lián)，每級交換機采用雙交換機冗余的模式模擬箭在總線的硬件架構，并在第二級交換機上設置監(jiān)聽設備進行全網監(jiān)聽。同時，通過交換機+橋的混合拓撲結構，模擬機內機外設備連接模式。在此高度集成的混合拓撲架構下，可驗證實現節(jié)點通過交換機級聯(lián)的傳輸、NM 對全網數據的監(jiān)聽、混合拓撲終結點之間的通信等多個功能。

圖9 混合拓撲驗證系統(tǒng)

通過搭建混合拓撲驗證系統(tǒng)，考核了混合拓撲下總線通信各項功能和性能參數，如系統(tǒng)的傳輸帶寬、控制類數據傳輸發(fā)起策略、響應時間、中斷機制、多種存儲器管理模式，大數據類數據傳輸帶寬，長時間通信誤碼率統(tǒng)計。同時，實驗還通過在通信中進行通道瞬態(tài)故障和永久故障的模擬與注入，確認故障自動檢測和傳輸自動重傳機制的有效性與可靠性，進而確認總線數據傳輸的容錯性與安全性。

實驗表明，總線傳輸帶寬范圍為0.6Gbps～6.25Gbps，比傳統(tǒng)總線提升了3 個數量級。三種節(jié)點類型IP 核功能可滿足功能需求，并且混合拓撲結構下可實現大帶寬的通訊速率和較好的故障容錯率，數據通信鏈路雙冗余的設計可實現高可靠、低誤碼率的實時數據傳輸，傳輸誤碼率優(yōu)于10-12，相較以往降低了5 個數量級。傳輸時間確定可控，同時具有異常檢測、隔離和自動重傳功能，相較MIL-STD-1553B 在各個方面的性能都有極大的提升。GLink 總線與1553B 總線的性能比較如表1 所示。

表1 GLink總線與1553B總線的性能比較

5 結語

GLink 總線是基于FC-AE-1553 研制的新一代箭載高速光纖總線，具有高帶寬、強實時、低誤碼率等特點，在可靠性、帶寬、傳輸效率等性能方面相較傳統(tǒng)總線產生了質的飛躍。運用GLink 總線支持的多種拓撲架構，運載火箭可實現系統(tǒng)間、設備間、板卡間設備的所有通信，并具有極強的可拓展性，可實現箭地通信一體化。通過實驗，驗證了GLink總線的優(yōu)異性能及各項拓撲結構的有效性，滿足了火箭對安全性、可靠性、數據吞吐率等各方面要求，可為今后的各類火箭提供更高性能的數據傳輸服務。