高速光纖總線在導彈綜合信息一體化技術中的應用

胥輝旗，朱平云，陳望達

（海軍航空工程學院 a.科研部；b.研究生管理大隊，山東 煙臺 264001）

早期的導彈大部分設備間普遍采用點對點直接連接的電纜網進行設備間的信號傳輸。這種繁雜的連接線路降低了系統的可靠性，同時，彈上電纜中傳輸的大量模擬信號易受干擾，甚至本身就是強干擾源，降低了系統的電磁兼容與抗毀能力。而總線方案能夠有效的提高導彈綜合信息處理能力、簡化系統結構，減輕消極質量，提高可靠性，提升系統的整體性能。印度的“烈火 Ⅱ”中程導彈、俄羅斯的“寶石”導彈及美國的MX 洲際導彈的彈上設備間信息傳輸均采用了標準1553B 總線[1]。

隨著導彈功能的增加、執行作戰任務復雜程度的提高，對導彈信息的獲取、交互、綜合處理等提出了更高的要求。新一代導彈武器綜合信息系統更是要求在信號一級實現綜合，大量中間信息的實時傳輸對彈上綜合信息一體化技術提出了更高的要求，高速光纖總線成為實現導彈綜合信息一體化的有效途徑。

1 光纖總線的導彈綜合信息一體化技術

1.1 導彈綜合信息一體化需求分析

導彈作為一次性使用、無人控制的一種特殊飛行平臺，在使用中不可維修，而且在工作中存在較強的機械振動和電磁干擾，氣壓、溫濕度、潔凈度也難以保證，因此要求彈上總線具有極高的可靠性。再則，導彈運動速度快，執行任務時間短，對數據的實時性，傳輸確定性、容錯性等提出了極高的要求。同時，隨著新一代導彈各級傳感器的信息綜合，使彈上信息傳輸量大幅增加，并且傳輸的信息既有小數據包的指令信息又有雷達數據、圖像數據等大數據包的信息，因此要求彈上信息傳輸系統不但要具有極高的傳輸速率，而且必須對大小不同數據包同時具有較高的傳輸效率。

光纖總線網絡以其質量輕、帶寬高、電磁兼容性好等特點，已被證明是滿足飛行器平臺綜合信息系統需求的有效方案。基于反射內存(Reflective Memory)的光纖總線網絡與MIL-STD-1773、FDDI、千兆光纖以太網等光通信方案相比，不但具有極高的數據傳輸率，還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴格的傳輸確定性和可預測性等特征，已經在波音777 測試系統、F35 戰斗機和新型阿里—伯克級驅逐艦的雷達、電子戰綜合信息系統中作為新一代總線得以應用[2-3]。

1.2 反射內存光纖總線原理

反射內存光纖總線是采用共享內存的機制，以光纖作為傳輸介質的一種高速實時總線網絡。總線網絡的每個任務節點連接一個 RM接口適配器(Reflective Memory)，每個RM接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，總線系統將該存儲空間映射到該網絡節點處理系統的地址空間，這樣節點處理系統對RM接口適配器的操作就和對本機內存操作方式一樣[4]。

當節點任務設備在映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個地址寫數據的時候，反射內存網絡協議在納秒級的時間內將數據傳播到網絡上的每個其他節點的同一地址空間。并且更新的傳播操作是異步的，沒有應用系統處理器的介入[5-6]。

1.3 反射內存光傳實時網的彈上總線結構設想

根據反射內存光纖總線的特點和彈上總線使用環境及彈上設備間信息交互特點，提出基于反射內存實時網的彈上總線的連接形式如圖1所示。

圖1 彈上總線系統連接示意圖

彈上總線采用雙總線冗余設計，各彈上設備通過各自的RM接口適配器和總線相連，實現彈上各分系統軟/硬件資源共享和海量數據的實時交互[7]。彈上各任務設備信息經過總線匯總后通過綜合控制計算機、作戰任務計算機等彈上計算機群實現信息的綜合處理。

為克服主從式總線結構容易導致單點故障的問題，基于反射內存光傳實時網彈上總線系統采用無主站自主組網結構。每個任務設備的RM接口適配器既是數據傳輸的網絡接口，又具有網絡管理、容錯及重構能力等功能，從而顯著提高總線網絡的可靠性和容錯能力。

2 RM接口適配器設計

2.1 系統組成

RM接口適配器為各任務設備和反射內存光纖網絡相連的接口，具有數據傳輸及網絡管理雙重功能，是整個總線網絡的核心設備。同時考慮到彈上應用需要，系統采用雙光纖接口冗余設計、具有網絡容錯和重構功能。系統主要由4部分組成，結構框圖如圖2所示。

圖2 RM接口適配器功能框圖

1)FPGA邏輯控制。FPGA是RM接口適配器的控制中樞，為其他模塊提供了控制接口，并在內部實現了系統控制、信號處理、數據傳輸、協議管理等功能。

2)SDRAM模塊。RM接口適配器上的共享存儲器資源，映射到操作系統的地址空間，存儲上層應用所需要的網絡全局變量。

3)光電轉換。實現光電信號轉換，提供標準化的高速光纖通道。

4)任務設備接口管理。實現和任務設備上位機的信息交互，為適應彈上應用需要，系統采用嵌入式構架的PC104Plus接口。

RM接口適配器FPGA 器件采用ALTERA 公司的Stratix GX EP1SGX40D，SDRAM模塊采用Micron 公司的MT46V32M8TG-5B，光纖收發器件采用Agilent 公司的HFBR-5921AL。

2.2 FPGA系統設計

系統采用了自頂向下的模塊化設計方法，系統FPGA在功能上主要由時鐘分配模塊、PCI 控制器、DDR 控制器、FIFO 緩存、PIO 控制器、DMA 引擎、DMA 控制器、網絡管理狀態機、編解碼及串并轉換9個部分組成，組成框圖如圖3所示。

為簡化設計，提高系統可靠性，前4 者主要利用了 FPGA 內部的集成資源(鎖相環與存儲器)或ALTERA 公司的IP 核。其中，時鐘分配模塊利用FPGA 內部集成的模擬鎖相環單元(PLL)，實現源時鐘的倍頻、移相等操作，供FPGA 內部電路與DDR SDRAM模塊等使用；PCI 控制器和DDR 控制器分別利用ALTERA 公司的IP 核pci_mt64和DDR SDRAM Controller，進行參數設置，生成適合RM接口適配器應用需求的控制器；FIFO 緩存利用FPGA 內部集成的M4K RAM塊，通過實例化LPM庫單元的dcfifo，生成各個FIFO，解決PCI 總線與SDRAM模塊異步時鐘域的數據傳輸問題[8]。

圖3 系統FPGA系統框圖

為同時兼顧彈上指令數據等小數據包傳輸及雷達數據、圖像數據等大數據包傳輸的高傳輸效率，系統針對反射內存網小數據量傳輸時，PIO 方式(Programmable Input/Output)比 DMA 方式(Direct Memory Access)傳輸效率高，大數據量傳輸時，DMA 方式比PIO 方式傳輸效率高的特點，通過PIO控制器、DMA 引擎和DMA 控制器實現了PIO和DMA 兩種傳輸方式的動態選擇。從而使系統無論傳輸控制指令還是大數據量的傳感器信息均具有很高的效率。

網絡管理狀態機及編解碼及串并轉換用于實現反射內存網絡協議管理、控制等。數據傳輸時，當某個節點將數據寫入本地RM接口適配器內部的某存儲器區域后，其內部控制電路立即按照協議將該存儲區的數據與節點號、存儲器地址、數據長度等信息組合成長度不等的數據分組，通過光纖接口傳遞到網絡下一節點。下一節點收到該數據分組后對其進行“解分組”，并把數據按照上一節點的寫入地址將信息相應存入本地存儲器區域，同時將信息送發送模塊向下一節點傳輸。如此循環，直至該分組傳回到其源節點并被消除為止。此時，網絡上所有節點接口適配器相應存儲器區域的數據均已被更新為源節點所寫入的數據[9]。

RM接口適配器還具備網絡管理、容錯及重構能力，包括以下幾方面：

1)故障節點隔離。若某個光端口未探測到光信號或探測到錯誤的同步碼，則自動隔離該端口或網絡節點，并迅速重構整個網絡。

2)自動旁路故障光纜。自動檢測到光纜故障，能自動旁路故障光纜，通過冗余光纜重構網絡，確保所有節點均正常通信。

3)節點實時加入。有新節點加入或被隔離的節點恢復正常時，自動將該節點加入網絡，并通知其他節點重構網絡[10]。

3 反射內存網協議設計

BBP(Bill-Board Protocol)是一種適用于反射內存網的低延遲消息傳遞協議。協議采用加鎖/解鎖機制，使用極小的軟件開銷，提供基于反射內存網絡的發送/接收和多路傳送服務等消息傳遞功能。BBP將反射內存網內每個RM接口適配器的共享存儲器被分成兩個區域：一個控制區域和一個消息區域。消息區域用于數據緩沖，而控制區域包含傳輸數據的其他相關信息。在數量為“NUM_NODE”個節點的網絡上，每個消息區域和控制區域又被劃分為“NUM_NODE”個獨立的小區域，每個獨立小區域對應一個反射內存網絡節點。

每個網絡節點的消息區域只受本節點管理，消息區域又根據傳輸的數據劃分出不同塊的緩沖區(緩沖區數量為NUM_BUF)。

每個網絡節點的控制區域用以存儲數據的描述塊，描述塊包含NUM_NODE個用以標記傳輸數據發送狀態的MSG標志、NUM_NODE個用以標記傳輸數據接收狀態的ACK標志及NUM_BUF個用以標記傳輸數據相關信息的信息描述。

一個MSG標志和ACK標志代表一個獨立的網絡節點，每個 MSG標志和ACK標志包含NUM_BUF位，每一位標志對應該緩存的狀態。信息描述用來記錄每條傳輸數據的數據長度、地址、數據類型、序號、校驗等相關信息。如此，對于每條傳輸的數據，對應一個3元組(源、目的、緩沖區)，存在一個唯一的MSG標志、ACK標志、相應一個信息描述。

發送數據時，源節點在它的消息區域里分配一塊緩沖區，將數據寫入緩沖區，然后系統組合該傳輸數據的消息描述，寫入控制區域，并設定相應MSG標志狀態，表示新數據發送完成。

接收數據時，目的節點檢查MSG標志，在MSG標志上的狀態的修改顯示新數據的到達。為了接收這個數據，目的節點從源消息區域讀取該數據，然后，設定相應ACK標志狀態。這意味著緩沖區現在被釋放，可以被源節點將來使用。為了廣播消息，發送者簡單地為多個接收者設定MSG 標記。在BBP中，被節點寫入共享存儲器的所有數據在其他節點中以寫入的順序出現[11]。

反射內存網Bill-Board協議設計構架如圖4所示，圖中反射內存網絡共有N個節點，M個緩存。節點1分配了42字節和128字節兩個緩存，緩存3的起始地址為224，緩存1的起始地址為1 004。圖中MSG標志1和ACK標志1的第1位不同，第3位相同，表明節點1 中緩存1的數據傳輸未完成，緩存3的數據傳輸已完成。同樣，MSG標志2和ACK標志2的第1位和第3位均不同，表明節點2中緩存1和緩存3的數據傳輸均未完成。

圖4 反射內存網Bill-Board協議設計構架

4 基于反射內存光傳實時網的性能測試

為測試反射內存光傳實時網在不同大小數據包下的傳輸速率，驗證其實時性、傳輸確定性、可靠性等，設計本測試。測試中反射內存光傳實時網工作在Windows NT+RTX 環境下，其中 RTX是Windows NT的一種實時擴展模塊，通過對Windows NT 操作系統的內核加載實時擴展模塊RTX 來保證系統的實時性[12]。

測試中設計了不同大小的數據包，每次傳輸一定數量的包數，統計耗時量，從而計算網絡傳輸速度，測試結果分別如表1和如圖5所示。

表1 反射內存光傳實時網數據傳輸測試表

圖5 反射內存光傳實時網數據傳輸測試圖

從數據中可以看出在包大小為128字節和12 k的時候分別出現拐點。

第1個拐點是因為測試中網絡設置的DMA 閾值為128字節，當傳輸的數據量小于128字節的時候，系統默認采用PIO 傳輸方式，反之則采用DMA傳輸方式。因此，隨著包大小的增加，其傳輸速率分別隨之增加。從圖5中可以看到，在128字節附近，隨著數據包增大，傳輸速率反而降低，這是因為在DMA 方式中，每次傳輸數據都要向CPU 請求，得到回應信號后才能接管總線控制權，傳輸結束后還需要向CPU發送結束DMA 請求信號，釋放總線控制權。所以，雖然DMA 方式有利于提高通信速率，但小數據量的時候每傳輸一次都需要做這些工作，耗費時間，影響通信效率。反射內存光傳實時網通過PIO和DMA 兩種傳輸方式的結合使用，確保了不同大小數據包的高傳輸速率。

第2個拐點可以看出當傳輸的數據包在12 k以后網絡傳輸速度基本穩定在80 MByte/s的水平以上。

為了測試反射內存光傳實時網的傳輸延遲，設置數據包大小為12 k，利用中斷方式進行了500次傳輸測試，統計每次節點間傳輸延遲時間，如圖6所示。從圖中可以看出，每次數據傳輸的延時大約為0.142 ms，并且延遲時間均很穩定。確保數據傳輸在可預知的時間內到達預定目標節點，即數據通信具有高可預見性，保證了系統數據傳輸的確定性。

圖6 反射內存光傳實時網傳輸延遲統計圖

在可靠性測試中，對上述測試的接收數據進行數據校驗，從而評估反射內存光傳實時網傳輸的可靠性。測試表明2節點的反射內存光傳實時網環境下，24 h 內，其傳輸可靠性達到100%，證明了反射內存光傳實時網傳輸的高可靠性。

5 結束語

本文所研究的基于反射內存的光纖總線網絡與FDDI、MIL-STD-1773、千兆光纖以太網等光通信方案相比不但具有極高傳輸數據率、還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴格的傳輸確定性和可預測性等特點，能夠更好的滿足新一代導彈信息傳輸的需求。文中針對彈上設備使用環境和信息傳輸特點提出的雙環冗余設計及動態傳輸方式選擇策略增強了整個系統的可靠性及容錯性，提高了系統不同數據包的傳輸效率。測試結果表明，該光纖總線系統可在一定程度上滿足彈上綜合信息一體化在傳輸速率、可靠性、實時性、容錯能力等方面不斷增長的要求。

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