机载1394b总线通信网络测试

2022-01-14张志君樊纲旗洪显智

现代制造技术与装备 2021年12期

张志君王凯董伟樊纲旗洪显智

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）

近年来，随着航空飞行器功能、性能和信息化水平的不断提高，机载系统内部以及系统之间通信速度和信息交换的规模不断提高。作为数据传输主要媒介的机载总线，其技术研究与应用持续获得关注与发展，并成为了机载系统技术研究的核心内容之一。传统的机载总线如GJB289A以及ARINC429等，其以特有的技术特征和通信特性，在一定时期内满足了航空电子电气系统的通信需求[1]。但是，随着机载系统性能的提高，上述总线的带宽、速率、可靠性等性能已逐渐失去优势。因此，选用新型机载通信总线构建具备高可靠性、高适应性的飞机总线通信网络，实现通信网络的更新换代已成为必然趋势。1995年，电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）在苹果公司“火线”标准基础上正式颁布了IEEE-1394总线标准，美国机动车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）在此基础上进一步完善并于2004年提出确定的延迟受控通信协议，即MIL-1394b，使其成为能够满足航空、航天领域应用的总线标准。目前，1394b总线已成功应用于F-35、X-47B等飞机机载系统，且国内新一代飞机已有部分机型应用了该总线，并获得预期效果。基于装机总线制造符合性检查要求，需对该总线的故障模式进行分析，并进一步开展测试性研究，从而为飞机总线测试提供技术指导。

1 1394b总线通信特性

1.1 1394b总线拓扑及特征

常见总线拓扑包括总线型、星型、网络型、树型、环型等。其中，星型总线拓扑结构和树型总线拓扑结构如图1所示。星型拓扑主要用于集中控制系统，其整个网络基于中心节点进行控制与管理，各节点通过与中心节点直接进行通信，即中心节点负责各节点通信数据的控制与中继。该类总线的优点主要体现在：第一，总线控制方式简单，任一节点只需与中心节点连接即可，且介质访问方式较为简单；第二，故障隔离易于实现，中心节点可对各分支节点逐一扫描，因此易于实现故障诊断。同时，单个非中心节点故障只影响本设备，不会对网络中其他节点的通信产生连带影响。文献[2]论述了星型总线拓扑的缺陷：第一，通信网络对中心节点的依赖性极大，且对中心节点的可靠性和容量要求很高；第二，每个节点都要同中心节点连接，耗费电缆较多。

图1 星型和树型总线网络拓扑

树型拓扑是星型拓扑的发展和补充，其以分层结构为主要特征，具有确定的根节点和相应的分支节点，适用于分支管理的控制系统。该结构具有较强的可折叠性，同时易于实现故障隔离，即如果某一分支线路或节点出现故障，将主要影响该支路或节点所覆盖的局部区域，能够比较容易实现故障部位与整个网络的隔离。如果根节点出现故障，则将影响全网络工作情况（上级节点影响下级节点）。与此同时，该类型拓扑易于扩展，即通过在网络中相应节点增加分支或子分支，能够实现新分支或新节点的入网，因此非常适用于构建主干网络。1394b总线即采用该类拓扑结构。

典型的1394b总线拓扑由总线控制计算机（Control Computer，CC）、远程节点（Remote Node，RN）和总线监控器（Bus Moniter，BM）等组成。其中：CC是总线网络的根节点，具有循环控制和总线管理功能；RN能够协助CC节点实现总线系统通信工作；BM主要负责监控总线行为及传输数据。整体网络拓扑呈树状结构，如图2所示。

图2 1394b总线网络拓扑

1.2 1394b总线通信方式概述

1394b总线采用DS编码方式，同时兼容Beta模式。该模式采用8/10B编码，能够使总线具有极高的数据完整性（总线误码率小于10-12），且支持高速率（200/400 Mb/s）和远距离传输。上述特征使基于1394b总线构造飞机总线网络成为可能，同时1394b具有自动环断开功能，为总线余度设计提供了更多选项。

1394b总线支持热拔插功能，即在网络中可实时接入通信节点。当总线上有任意节点断开或重新上下电时，总线网络将自动进入初始化流程，并重新标识网络拓扑[3]。需要注意的是，总线初始化阶段不进行总线通信，同时机载1394b总线以帧同步周期为通信基本单位。根据文献[1]，其总线效率计算方法为：

式中：η为总线效率；Te为一个周期内的有效数据传输时间；Tgp为数据包间隔时间；n为帧周期内总线上异步流包的数量；Tstof为帧同步包传输时间；Thd为一个周期内所有异步流包包头、包尾等固定信息的传输时间。

1394b总线通信模式采用异步+同步和半双工通信方式，其中异步通信以确定性为主要特征，由通信网络根据总线复位后的节点物理地址寻址。通信发送端和接收端有相应的确认机制，能够保证传输的确定性和可靠性。在1394b通信过程中，异步通信所占带宽比例不低于20%，同步通信以实时性和高效率为主要特征，节点向等时资源管理器申请带宽和通道号，并基于时钟信号进行同步数据传输。等时传输能够保证传输的实时性，且无需节点响应和确认[4]。在1394b通信过程中，同步通信约占80%的带宽。同步与异步通信数据格式分别见图3和图4。

图3 同步通信数据格式

图4 异步通信数据格式

2 测试需求分析

根据上述信息，1394b总线网络呈典型的树状拓扑，同时采用同步/异步通信模式，通信速率高，且兼顾确定性和实时性要求。基于此，分别从拓扑特征和通信模式两方面对该总线测试性进行分析。

2.1 节点断连

树型总线中各节点按照层级串接在总线网络中，各分支节点（非叶节点）负责通信数据的中继与处理，同时下级网络通过上级网络中的控制节点进行链路搭建与数据通信。若负责中继的分支节点发生故障，则下一级网络通信将受到影响。如图5所示，若RNB发生故障，则与其相连的下级网络节点RNA将直接受到影响，严重时RNA将与整个网络失去数据通信功能。

图5 节点故障模式示意图

以1394b总线为通信媒介的机载设备在飞机上一般呈分布式布局。在飞机研制过程中，往往存在部分机载设备故障或状态变更导致相应设备临时缺装的情况。在此情况下，将出现1394b通信网络的中继节点通信功能不完善或节点缺失的情况，导致下级网络无法接入全机通信网络，从而影响飞机总线网络通信功能测试[5]。因此，从总线网络通信链路完整性方面考虑，有必要研究针对特定节点的总线断连和通信仿真技术，以实现对缺失节点通信网络的物理连接与链路构建。

2.2 节点通信

由于1394b总线采用同步/异步的通信方式，根据通信方式的不同，可将主数据包分为STOF包和异步流包。总线数据包结构见图6，需在测试节点分别对上述数据包进行数据侦听与测试。

图6 1394b数据包结构

为实现对总线工作状态和过程的监控，需通过专用总线测试设备对CC和RN节点进行通信测试。其中：对于CC节点，需重点测试STOF帧速率、STOF包格式、STOF包和异步流包收发以及节点ID；对于RN节点，需重点测试STOF包和异步流包收发以及节点ID。同时，因为总线网络中物理成环的部分在每次网络初始化后会进行逻辑断开，但断开位置不固定，所以需对总线网络进行拓扑结构测试。

3 测试方案

3.1 断连链路重构

为提高通信的可靠性和安全性，机载1394b总线通信在板卡输入输出方面采用变压器隔离的方式，即节点通信板卡与外部其他节点通信板卡不直连，而是通过板卡内置的专用通信隔离变压器（高速变压器）实现板卡运算处理电路与外部电路的电气隔离。以3节点通信板卡为例，其内部含有3个隔离变压器，其中一个用于与同一级的上一个节点进行通信，另一个用于与同一级的下一个节点进行通信，第3个用于与下一级节点进行通信，结构如图7所示。

图7 三节点通信板卡变压器配置示意图

若本节点缺失或总线通信故障，则本节点将失去对外部3个节点的通信中继功能。为了重构其他节点的通信链路，在不考虑远距离通信衰减影响的情况下，可通过总线节点断连装置在本节点内部直接将外部收发端口进行短接，以此实现通信信号的直接传输，保证在本节点缺失的情况下其他节点能够跨接形成较为完整的通信网络，从而支持网络其他功能的测试。节点断连内部结构如图8所示。若故障节点与外部节点进行超远距离通信，则节点断连装置将无法满足信号衰减要求，此时应采用专用节点仿真板卡进行通信模拟与中继。