摘要:综合星型及环形拓扑结构的优点, 提出一种具有超高速实时光纤网络结构的飞行器光传操纵设计方案。所给出的余度设计及分布式共享内存策略增强了整个光传系统的可靠性及容错性能。应用动态数据分组技术既提高了小数据量的传输效率又提高了大数据量突发传输时的吞吐量。性能测试及地面飞行仿真验证表明, 系统数据传输速率可达 2. 12G b/ s , 具有很强的实时性及信息传输确定性, 适应了机载环境下光传飞行控制及航空电子系统不断发展的需求。

1 引言
随着人们对当代各种飞机的性能、 功能的要求不断增加, 越来越多的高速集成电路被应用到飞机上以实现极其复杂且高度综合化的数字控制系统及航空电子系统。不过, 众多综合化的任务子系统不仅需要更高速的数据传输载体以实现关键的控制、 传感及数据交换, 同时亦使飞机上的电磁环境急剧恶化。光传操纵已被证明是解决以上问题的有效方案。本文所研究的机载光纤网络基于分布式共享内存[1]通信原理, 最多支持 256 个节点, 通信速率可达2.12Gb/s。与 MIL- STD- 1773[2]、 FDDI[3]等光通信方案相比, 它不仅能够实现可靠的高速数据通信, 且具有很强的实时性及出色的容错性能。
2 系统结构及组成
2.1 总体结构配置
本文所论述的光纤网络采用逻辑上的环形结构,因为相对于其它拓扑结构, 环形结构具有更好的容错
能力, 更便于在硬件级别实现错误诊断及修正, 并且网络上多个节点同时发送数据时也不易产生总线冲突。不过, 环形结构也有其严重的缺点, 即当某一节点出现故障或光纤链路损坏时, 将导致整个系统的通信中断。虽然可以像 FDDI 系统那样采用旁路开关及逆向双环的方式缓解这个问题, 但采用物理上的星型结构(逻辑上仍是环形结构)便于对整个网络的通信状况进行监控, 同时还便于确定故障节点, 有利于故障隔离及维护。 虽然星型结构引入了"单点故障"问题, 可以通过冗余中央节点的结构配置加以解决。这种结构融合了环形及星型结构的优点, 克服了其各自的缺点, 使二者得以有益的互补, 如图 1 所示。

图 1 光纤网络系统双余度结构

图 1 所示的系统结构主要由节点飞行控制计算机、 光纤接口适配器、 多端口光纤集线器(即上述中央节点)及光缆组成。为了提高整个系统在机载环境下的可靠性, 光纤接口适配器及多端口集线器均为双余度配置。两个集线器通过一根双芯光缆级联在一起。若某个接口适配器或光纤链路出现故障, 集线器内部的旁路阀自动将故障节点隔离从而可保证无故障节点正常工作。由于采用了双余度配置, 即使节点的某一个接口适配器或某根光纤损坏, 也不会导致该节点立即被完全隔离。光纤接口适配器为节点计算机与光纤网络之间的重要接口模块, 负责介质访问控制、 逻辑链路控制、 编码/解码、 串行/并行转换及光电转换等工作。实际应用时, 图 1 中的两个冗余光纤集线器放置于同一个机柜中, 这样光纤接口适配器与集线器之间可由一种专用的五芯光缆连接, 其中两根用于发
送, 两根用于接收, 一根备用。

图 2 多端口光纤集线器工作原理

图 3 光纤接口适配器功能框图

2.2 多端口光纤集线器
多端口光纤集线器是整个机载光纤网络系统的核心节点, 负责连接各个节点的光纤接口适配器, 最
多可同时连接 8 个节点。多端口光纤集线器内部逻辑结构及与光纤接口适配器的连接方式如图 2所示。为了组建大型网络, 多个光纤集线器可以通过一个端口互相级联, 从而可将网络的节点数最多扩充到 256个[5]。同时, 该集线器还具有以下重要功能:

(1)故障节点隔离 若某个光端口未探测到光信号或探测到错误的同步码, 则自动隔离该端口并迅速重构整个网络。

(2)节点实时加入 被隔离的节点恢复正常时, 自动将该节点加入网络, 并通知其他节点重构网络。
(3)光信号再生 每个端口都会再生所传输的光信号, 以解决光纤损耗所导致的问题, 同时能够消除光信号抖动所带来的问题。
(4)网络状态监控 可通过串行 RS232 端口对网络的状态进行监视与控制。多端口光纤集线器配合光纤接口适配器可组建高可靠的, 具有自动旁路功能及较好容错特性的高速率光纤网络。它是实现上述双余度机载光纤局域网的中心环节。
2.3 光纤接口适配器光纤接口适配器为各节点计算机与光纤网络相连的接口, 包括光探测器、 发射器、 编码/解码以及串/并行数据转换单元、发送/接收电路、发送/接收缓冲区、 主逻辑/仲裁控制器、 内部存储器、 主机接口等重要组成部分[7], 如图 3 所示。连接到同一网络中的光纤接口适配器具有相同大小的内部存储器。节点计算机写入光纤接口适配器内部存储器的内容立即被复制到所有其它节点适配器相同的存储器位置。其它节点计算机只需读取本地适配器内部存储器即可获取其它节点传来的数据。由于所有节点都保存了全部数据的完整备份并实时更新, 因此增强了整个系统的容错性能。除传输普通数据信息外, 适配器还具有向特定节点传输中断信号的功能。
当某个节点开始传递数据时, 只需将数据写入本地光纤接口适配器内部的某存储器区域。接口适配器控制电路立即将该存储区的数据与节点号、 存储器地址、 数据长度等信息一起写入发射器缓冲区。发射电路读取缓冲区内的数据并组合成长度不等的数据分组, 通过光纤接口传递到下一节点。下一节点的接收器收到该数据分组后对其进行"解分组"并存储到接收器缓冲区。该节点的主逻辑控制电路将接收缓冲区内的数据同时存储到发送缓冲区及相应的存储器区域。发射电路再将发送缓冲区的内容依次发送到下一节点。如此循环, 直至该分组传回到其源始节点被消除为止。此时, 网络上所有节点适配器相应存储器区域的数据均已被更新为源节点所写入的数据。图 4 以两节点为例说明了这一数据更新过程。
该方案采用分布式共享内存策略, 数据在网络上传递时完全不需要主机 CPU的参与。 由于没有多层次化的复杂传送协议, 也无需复杂的协议处理电路, 因此, 不仅提升了整个网络的实时性与可靠性, 同时也降低了系统功耗与成本。

图 4 光纤接口适配器传输数据流程

由于飞机上需要传输的数据既有较短的控制指令, 也有传感器、 雷达等设备产生的大量需要实时交
换的信息, 从而要求网络设备能够很好地兼顾大数据量及小数据量传输时的高效率。对于数据分组大小固定的网络, 数据分组字节数取值较大时, 可使一个分组包含较多的数据信息, 当传输大量突发数据时, 由于降低了节点间的" 沟通" 次数从而提高了网络吞吐量, 当传输较小数据量的控制指令时, 由于需要填充大量的占位码从而极大的降低了传输效率; 而当数据分组字节数取值较小时, 情况刚好相反。内建动态数据分组技术很好的调和了以上二者的矛盾。光纤接口适配器的数据分组大小根据所传输数据量的多少在4～ 64 字节之间变化。该光纤接口适配器可在- 40～ 85℃, 相对湿度 10～90%的环境下正常工作, 平均无故障时间达 4× 105小时。采用多模光纤时可传输 260m, 采用单模光纤时可传输 10km。 这些性能指标均能满足飞行控制及航空电子系统的要求。

图 5 数据与中断信号在三节点网络上的传输延时

3 性能测试与飞行仿真验证
3.1 性能测试
该光纤网络为适应不断发展的光传飞行控制及航空电子系统所设计, 因而必须满足苛刻的可靠性、
实时性、 确定性及超高速数据传输的要求。为验证整个网络系统的可行性, 我们对系统进行了严格的测试并进行了飞行仿真试验。图 5 为所组建的三节点网络在传递数据及中断同步信号时的实际耗时统计曲线,该图给出了应用程序到应用程序 ( application- to- ap-plication)之间的传输延迟。由图 5 可知, 源节点计算机写一个字节的数据到目标节点计算机读取到该数据所耗时间小于 3.4μ s(平均每个节点引入约 1μ s 的延时); 而从某节点计算机发送中断到目标节点响应该中断所耗时间低于 38.5μ s。且从统计曲线可以看出, 各次数据传输所耗时间差异最大不超过 1μ s, 中断信号传输时差最大不超过 5μ s。所有节点同时发送数据时也不会对网络的性能产生显著的影响 ( 最坏的情况下引入的额外延迟为 μ s级)。以上数据充分表明, 该网络系统具有良好的实时性及数据传输延时确定性。
3.2 地面飞行仿真验证
为进一步验证所开发的光纤网络在飞行控制及航空电子系统领域的可行性, 组建了地面半物理飞行
仿真验证平台。该平台用于验证显模型跟踪直升机贴地飞行控制系统[6]的性能, 仿真系统结构如图 6 所示。为了跟传统的电传飞行控制系统对比, 驾驶杆采样信号同时输入到电传飞行控制计算机及光传飞行控制计算机, 所有的舵机控制指令及飞机动力学模型反馈数据均同时通过独立的电传及光传通道传递。在进行仿真时, 根据文献[8]推荐的直升机贴地飞行障碍地形规则, 设置了两个高 40m, 间距 800m 的障碍物。仿真开始时, 直升机处于低速水平前飞状态(速度 V0=21.07m/s, 侧滑角 β 0=0° ,飞行高度 H0=25m), 仅通过操纵直升机总距通道使直升机贴地飞行。节点 3 计算机
实时绘制直升机跟踪地形飞行时的纵向航迹曲线, 仿真结果如图 7 所示。

图 6 地面半物理仿真系统

图 7 光/电传直升机贴地飞行仿真结果

仿真表明, 正常情况下, 光/电传直升机贴地飞行仿真的纵向航迹相互重合。在强电磁干扰及通信数据量较大的场合, 光传系统的固有特性使其具有比电传系统好得多的性能。由于光传系统从根本上解决了电磁干扰问题, 无需额外的电磁屏蔽措施, 因而与电传系统相比显著地降低了体积和重量。并且随着技术的进步及光学器件价格的降低, 光传系统仍具有成本上的优势。
4 结论
与电传系统相比, 本文所论述的光传系统设计方案不仅从本质上降低了体积和重量, 而且随着光学器件的价格进一步降低, 光传系统还具有成本上的优势。该光纤网络的拓扑结构综合了传统星型及环形结构的优点, 克服了其各自的缺点。硬件余度设计增强了整个系统的容错性能。光纤本身所具有特性使系统具有良好的抗 EMI/EMP/RFI 能力。性能测试及半物理仿真验证表明, 它已经具备了机载局域网所应具有的重要功能及性能, 完全可适应机载环境下光传飞行控制及航空电子系统在传输速率、 实时性、 可靠性、 容错能力等方面的要求。该技术将成为研发我国光传操纵飞机的重要技术基础。

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