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AFDX航空通信协议及其核心技术分析

2021-09-13肖红玉

无线互联科技 2021年8期
关键词:核心技术

肖红玉

摘 要:AFDX主要借助于成熟的以太网通信结构,在通信协议和拓扑结构上均使用了全双工以及双冗余等方式,令其满足航空电子系统在带宽以及实时性方面的需求。文章主要对AFDX航空通信协议进行研究,分析其硬件以及软件的具体设计方式,旨在提高通信服务质量,希望为相关工作人员提供一定参考价值。

关键词:AFDX航空通信协议;核心技术;虚拟链路

0  引言

AFDX航空通信协议是为大中型民用机以及军用飞机设计而成的拓扑网络,现已经成为我国航空通信网络的最佳手段。相关工作人员应该重视此方面的研究工作,促进AFDX网络的进一步发展。

1 AFDX航空通信协议的硬件结构设计分析

1.1 航空电子子系统设计分析

航电子系统是AFDX通信系统的重要组成系统,也是验证AFDX终端系统必不可少的输入前端,当前,前期项目就对飞机的驾驶舱进行设计,主要利用的就是AFDX系统。为了保证AFDX终端系统的兼容性,在对AFDX设计前期,还应该在原有的系统上,设计一个CAN总线式的通信模块,即控制器局域網络。该模块是德国博世公司研究而成,现已成为世界上利用率最高的现场总线。CAN总线主要被应用在汽车内部一些强干扰的环境下,性能较强,已经被大面积推广。例如,1991年就已经制定了相关的技术标准,为CAN总线模块朝着标准化以及现代化的方向发展,提供了较大的便利。

目前,航电子系统中主要应用的是DSP芯片TMS320F2812中嵌入了一个CAN总控制器模块eCAN,可以与的CAN2.8较好地兼容起来。由于eCAN属于32位结构,利用内部嵌入硬核的方式就可以完成协议,完成CAN数据链的路层部分,eCAN模块就含有内部管理以及错误检测结构管理,外部连线方式较为简单,只需要使用两个数据库,就可以将其与物理层连接起来,实现与全局网络时间同步。

1.2  FPGA的硬件设计分析

当前,市场中主要使用芯片为Xilinx,ALTERA,Lattice以及Actel等公司研发而成的,本文以Xilinx公司研发的、Virtex-II生产的8层0.12~0.15μmCOMS的金属芯片为例,该芯片的内部时钟规律约为420 MHz,属于一种速度较高、能耗较小的芯片。该新品除了功能较为灵活,还蕴含较为丰富的资源,十分适合用来设计IP核与常规模块。

FPGA的配置电路模块主要有以下几方面功能:(1)可以将该模块中的DLL转变成为数字时钟管理模式,确保时钟的灵活性。(2)通过在系统内部的CLB模块中嵌入4个Slice,增加系统的逻辑容量以及资源利用率。(3)在系统内部嵌入专业性较强的乘法电路,进一步提升信号处理速度。(4)可以配置多个RAM以及FIFO,增加系统存储容量。(5)具有较多的IO接口,实用性较强。

1.3 物理层硬件设计分析

AFDX物理层的协议标准以太网较为相似,但是由于AFDX属于冗余性质的网络,物理层必须要有两个完全相同的结构,因此,为了确保两个网络可以保持一致,工作人员应重视物理层控制芯片的选择工作。例如,选择双端口类型的以太网物理层芯片[1]。近年来,大部分企业使用的均是美国Cortina公司研发而成的LXT937芯片,技术人员可以将AFDX系统的通信速度调整为100 Mbps。为了避免受到高通信速率的影响,提高服务质量,必须要在信息数据处理后再将其接入网络系统中,防止分离变压器受到电磁干扰,影响通信质量。

2 AFDX航空通信协议的软件设计分析

2.1 虚拟链接模块设计分析

虚拟链接通常是在数据链的中层实现的,是从一个终端逐渐向多个终端传播的过程,主要作用就是对实际电路的带宽予以分时复用,提升对资源的利用率和服务质量。由于一条链路往往包含较多的虚拟链路,虚拟链路是在通信开始时才建立的,当通信完毕后就可以拆除,不仅不会影响到终端系统的物理结构,还可以保证虚拟链路之间能够相互独立,防止对线路造成干扰。虚拟电路的带宽利用率对虚拟电路的影响较小,不会占用带宽,但是也无法将自己的带宽分享给其他的虚拟链路,以此确保信息不会混淆。

2.2 完整性检测模块设计分析

完整性检测模块通常是在冗余管理之前,主要作用是检测数据信息的完整性,因此,完整性模块往往只在AFDX的终端系统中应用,有利于消除无效帧,保证通信全网络的鲁棒性。

在无故障网络系统中,完整性检测模块只能发挥中继作用,将接收到的信息数据传递到冗余模块中,在实际应用时,无故障网络出现的频率较少。例如,AFDX的数据帧在打包过程中就封装了一个8位数序列号的SN,发送终端根据序列号的增减顺序,将其发送到数据模块中,其中,SN为判断信息数据有效性的标准。在利用完整新模块对数据进行检测时,必须要读取这一标准,当其满足公式SN=PSN+1时,才能保证该数据的完整性,如果不满足,就需要消除这一数据。其中,PSN代表相同虚拟电路中最接近SN的一个有效数据[2]。

2.3 冗余管理模块的设计分析

AFDX属于冗余系统,当数据发动时就会被备份,当数据都被接收到终端系统时,就会给系统带来较大的干扰。因此,当数据被传送到上层前,工作人员就可以适当去除掉一部分数据,不仅可以节约系统资源,还可以提高资源的利用率。

该模块的主要工作原理:当在接收终端时,该系统通常是利用时间优先的原则来辨别冗余帧,最先接收到的信息数据往往被看作成有效帧,从而被系统接收。

目前,对系统展开冗余管理时,主要是借助于SN以及SkewMax等作为的接收标准。一旦受到外部环境的影响,就会造成两个网络的延迟时间出现差别,致使据帧传递到接收端时间也有所区别,因此,工作人员则可以利用SkewMax标准来管理网络延迟时间。通常,在冗余管理模块,MLB可以保存最近一个传递到冗余管理中的模块数据,在管理该模块时,其数据必须要满足以下条件:第一,数据帧中的SN必须要超过MLB中的SN;第二,互为冗余数据的系统数据帧,管理模块的时间差应该超过SkewMax[3]。

3 AFDX航空通信协议及其核心技术的测试分析

工作人员需要对航电子系统进行测试,为了测试该系统能否正常工作,通常需要将其接入到上一级系统中。将航电子系统作为航空面板的控制系统,检测AFDX终端系统的功能,并将其添加到CAN模块中,经过测试后,CAN模块可以达到正常通信的目的。另外,还需要对AFDX实验系统以及AFDX端到端的延迟系统进行测试。利用示波器、AFDX网络分散仪以及CAN模块(见图1),通过接收到的信息数据,分析系统的整体网络结构,确保系统功能得以实现。除此之外,还可以结合OPNET的仿真结果,对网络展开演算,充分发挥AFDX的作用。

4 结语

总而言之,加强对AFDX航空通信协议及其核心技术研究工作,不仅有利于提高信息数据传输环节的可靠性以及速度,还能够提升服务标准。因此,应重视此方面的研究工作,优化AFDX的硬件设计以及软件设计,进一步降低通信线路的用线量,完善系统结构,提高其性能,为我国航空电子系统朝着综合化以及集合化的方向发展夯实基础。

[参考文献]

[1]汪宁.AFDX航空通信协议及其核心技术研究[J].工业控制计算机,2019(11):4-6,9.

[2]王海涛,张鹏亮,范振东,等.航空通信环境中IP移动性支持协议探析[J].电信快报,2018(6):6-9.

[3]涂星滨,肖芳贵,许肖梅.水声通信中一种新型无前后缀的单载波频域均衡技术[J].电子与信息学报,2021(43):1-9.

(编辑 姚 鑫)

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