新一代總線技術AFDX在箭載測量系統設計中的應用研究

王 丹 萬端華 李 薇 路 娟 王 寧

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

新一代總線技術AFDX在箭載測量系統設計中的應用研究

王 丹 萬端華 李 薇 路 娟 王 寧

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

傳統的箭載測量系統數據傳輸由點到點的電纜完成，存在布線復雜、占用空間大、質量大、通信速率低等方面的不足，為此提出將新一代總線AFDX應用于箭載測量系統的設計思路。介紹了新一代基于以太網的總線技術AFDX，研究、比較了其技術特點和關鍵技術，并對基于AFDX的箭載測量系統數據綜合網絡拓撲結構進行了設計，為設計更高可靠性、更快通信速率、更強靈活性的箭載測量系統提供參考依據。

AFDX 關鍵技術 測量系統

1 引 言

傳統的箭載測量系統數據傳輸由點到點電纜完成[1]，在箭上設備不斷增多的情況下，電纜在火箭上布線復雜、占用空間大、質量大，已成為運載火箭設計中的瓶頸之一。用共享式多路傳輸數據總線在設備間傳遞信息是解決問題的有效手段。

目前，我國運載火箭測量系統數據通信使用的總線主要是RS 422總線、CAN總線和1553B總線等，這些總線協議具有可靠性高、通信質量穩定等特點，在新一代運載火箭測量系統設計中也得到了廣泛應用。但是，這些協議只具有最高10Mbps的數據傳輸率，且通常只適用于自身具有數據處理能力的重要設備之間的數據傳輸。基于商業計算機工業取得的巨大成就，將商業計算機通信模型應用于箭載測量系統數據綜合設計中已成為不可避免的趨勢。與目前先進的網絡互連技術的發展相契合，箭載測量系統數據綜合的形式呈現出由較低速率的總線向寬帶網絡發展的動向。在以太網的基礎上充分應用商用現成技術和開放式標準，不但可以借鑒成熟技術，獲得數量龐大的第三方廠商的技術支持，還可以縮短開發周期，降低研發成本，提高測量系統通信速率，以滿足未來測量系統對信息傳輸和信息管理的更高需求。

本文對新一代基于以太網的總線技術AFDX進行了介紹，研究了其技術特點和關鍵技術，并對基于AFDX的箭載測量系統設計思路和方法進行了探索和研究。

2 AFDX總線介紹

AFDX全稱為航空電子全雙工交換式以太網(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)，它是為在航空子系統之間進行數據交換而定義的一種協議(IEEE 802.3和ARINC 664Part7)標準，是基于ARINC429和1553B基礎之上的一種總線通信協議規范(ARINC664)[2]。

AFDX具有拓展的網絡拓撲，它的拓撲結構為星型。AFDX網絡主要由端系統、AFDX交換機以及傳輸鏈路組成，如圖1所示。

端系統是構成AFDX網絡的一種重要網絡元件，它嵌入在每個航空電子子系統中，將子系統與AFDX網絡連接起來，負責消息的發送和接收。交換機就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。相比于商用以太網交換機，AFDX交換機具備了過濾功能、交換功能、故障隔離以及靜態路由等特點。每個端系統分別與AFDX交換機相連，每臺交換機能連接24個端系統，形成接入交換網絡；AFDX交換機之間通過背板總線連接，形成骨干交換網絡。每個子系統采用全雙工方式用2對雙絞線直接連接在交換機上，一對用來發送(TX)，一對用來接收(RX)。

3 AFDX技術特點

3.1開放式系統結構

AFDX系統結構對接口、服務和支持形式等采用充分定義的、廣泛使用的、公眾支持的非專利規范，以完成系統功能的物理和邏輯實現，只需要做很小的更改就能在很廣泛的系統范圍內合理地使用。國際標準化組織定義了開放式系統互連參考模型(OSI)，OSI將通信系統分成7個功能層，每一層執行一定的功能，這樣把網絡要執行的全部功能分解到相互獨立、容易處理的若干層之中，并且每層的改變，不會引起其他層的改變。任意兩個系統只要遵守此基準模型和相關標準協議就可以互連。生產廠家、管理配置、技術水平、復雜程度不同的系統只要遵守OSI分層模型協議，兩個信息處理系統都可以互連，進行通信。AFDX是一種開放式系統結構，滿足開放式系統互連參考模型的要求。

3.2資源共享

AFDX采用交換機技術，端系統與交換機相連，就能與其它端系統進行數據交換，電纜資源共享，使系統電纜數量減少，重量減輕。另外，在一個綜合處理設備中，各個不同的模塊共享一個端系統，通過端系統與外界交換數據。

3.3分區技術

AFDX的“分區”技術表現為將帶寬分配給通信通道，AFDX一個數據源對應一個通信通道，即虛擬鏈路，一個端系統可支持多條虛擬鏈路，這些虛擬鏈路集中在一條物理鏈路上，共享網絡帶寬。虛擬鏈路按照帶寬分配間隔進行傳輸，不會引起碰撞。

3.4有保障的服務(GuaranteedService)

AFDX網絡提供的服務是有保障的服務，主要表現在它的確定性和可靠性上。AFDX的確定性主要表現在網絡的最大傳輸延遲控制上，AFDX虛擬鏈路都有帶寬分配間隔和最大的幀尺寸，傳輸過程中引起的抖動有一定的范圍限制，是可控的。在這種機制保障下，AFDX幀可按一定的順序、無碰撞地進行傳輸，AFDX幀端到端的延遲是可控的。AFDX網絡引入了余度的概念，幀可以同時在兩條獨立的路徑上傳輸，接收端系統只接收先到達的有效幀，所以，AFDX網絡具有較高的可靠性。

3.5網絡結構靈活、可擴展性強

AFDX網絡拓撲結構為星型網絡，一個交換機最多具有24個端口，交換機之間可以級聯，擴大數目，一個終端的接入或拔出不會引起其他終端軟件的更改。另外，AFDX可以分區域構成若干個局域網，每個局域網由功能相近的設備連接構成，各個局域網之間可通過交換機級聯來連接，這種連接方式也適合系統的分階段開發[3]。

表1為AFDX總線與目前測量系統廣泛使用的RS 422、CAN和1553B總線特性比較。

表1 AFDX、RS 422、CAN、1553B總線的特性比較

4 AFDX關鍵技術

AFDX網絡為了實現確定性采用虛擬鏈路(VL)技術，將物理路徑劃分為一條條的邏輯鏈路，定義每條VL的抖動和時延，約束每段網路的抖動和時延就可以確定端到端的抖動和時延。在網絡中的每臺交換機和端系統中都固化一張配置表文件，網絡工作后端系統按照發送配置表的要求將數據發送到AFDX網絡中，一幀數據進入交換機接收端口后，交換機根據該幀的虛擬鏈路號(VLID)查找轉發表，然后進行過濾，過濾通過后再進行警管操作，最后由調度控制將該幀轉發到相應的輸出端口。

由此，AFDX總線技術采用的關鍵技術有端系統的虛擬鏈路調度技術、端系統的余度容錯技術、交換機的信息完整性處理技術、交換機的交換與調度技術。

4.1端系統的關鍵技術

4.1.1 虛擬鏈路調度技術

4.1.1.1 AFDX端系統模塊支持4096條虛擬鏈路的接收和128條虛擬鏈路的發送。虛擬鏈路號取0～65 535，一條虛擬鏈路與一條虛擬鏈路號一一對應。

4.1.1.2 每條虛擬鏈路支持4條子虛擬鏈路。AFDX端系統虛擬鏈路調度的核心是對虛擬鏈路和子虛擬鏈路的通信調度。

4.1.1.3 AFDX端系統設計中，采用雙端口存儲器存放數據幀，為每條虛擬鏈路分配10個緩沖單元。為每條虛擬鏈路設計1個空閑隊列，反映這10個緩沖單元的狀態，初始化時10個緩沖單元都在空閑隊列中。為每條虛擬鏈路設計4個子虛擬鏈路隊列，用于存放各個子虛擬鏈路所使用的緩沖單元號。CPU需要發送幀時，首先讀空閑隊列來申請緩沖單元，根據讀出的緩沖單元向其中寫入需要發送幀的數據，再將緩沖單元號填寫到子虛擬鏈路隊列中。子虛擬鏈路調度時，查詢各個子虛擬鏈路隊列，一旦子虛擬鏈路隊列非空則表明有幀準備好，可以申請進行虛擬鏈路的調度發送。虛擬鏈路的調度采用輪詢調度的方式。虛擬鏈路調度器逐個查詢各個虛擬鏈路的狀態，如果該虛擬鏈路有幀準備好，而且控制帶寬計時器給出有效指示，則可以發送。此時，從該虛擬鏈路的子虛擬鏈路對應的非空隊列中的緩沖單元讀出發送幀數據，并通過MAC發送出去，完成一幀的發送。

4.1.2 余度容錯技術

AFDX端系統采用雙余度互為備份的方法，避免因部分設備故障、連接故障引起的通信中斷或通信出錯，提高系統的可靠性。同時，雙余度網絡也可以作為單獨的兩個網絡，提高網絡通信的帶寬。

4.1.2.1 發送操作的余度控制

每個VL都配置1個發送控制寄存器，其中使用兩位標識來選擇發送的網絡端口。幀從UDP/IP提交到余度控制單元時，首先將位于幀數據末尾CRC之前的一個字節作為幀序列號，取值0～255。端系統復位后發送第一幀序列號為0，隨后累加1直到255，下一幀從1開始，再循環取1～255。

經過序列號處理過的幀，根據發送網絡選擇進行判斷，使用端口A發送、端口B發送，或者兩個端口同時發送。如果設置為兩個端口同時發送，則通過監控兩個MAC的狀態來保證兩個端口發出幀的時間一致性。

4.1.2.2 接收操作的余度控制

兩個網絡端口分別進行接收幀處理，將接收到的幀依次存儲在接收緩沖中，并且進行完整性檢測，除檢測CRC外，還檢測幀序列號。序列號應在上次收到幀的序列號基礎上累加，序列號相同則表示該幀已經接收過為重復幀。序列號為0的幀必須接收，表明是發送方復位后發送的第一幀。其他幀序列號在1～255之間，且幀序列號是上次接收幀序列號加1。

通過完整性檢測的兩個網絡端口的幀還要進行接收余度管理。比較兩個幀的序號來進行接收余度管理，按照“先有效先贏”的策略進行取舍，將先有效的幀提交給協議棧進行處理。

4.2交換機的關鍵技術

4.2.1 信息完整性處理技術

組成AFDX網絡的端系統和交換機都要采取完整性方法來確保幀傳輸的完整性。AFDX交換機的完整性檢測是過濾幀的各種錯誤，對過濾正確的幀進行基于虛擬鏈路的流量管制操作。

4.2.1.1 錯誤幀的過濾

一幀數據通過交換機MAC的CRC校驗后，還要根據虛擬鏈路號來查詢交換機的配置表，對發送到交換機輸入端口的幀作檢測：虛擬鏈路與輸入端口匹配性、字節對齊檢測、目的地址有效性、幀長在配置表中定義的范圍內。

在幀的過濾過程中可以對上述錯誤作并行檢測來降低幀在交換機中轉發的低延時性。如果上述檢測正確，則代表該幀正常，可以存儲在接收DPRAM中供后續流量管制處理；如果檢測錯誤，則舍棄該幀，并且計入信息管理庫。

4.2.1.2 基于幀VL的流量管制

流量管制是為保證每個虛擬鏈路不超過為其分配的帶寬，通過基于虛擬鏈路的帶寬計數管理來實現。每個虛擬鏈路的帶寬和抖動在固化的配置表中都有確定的要求，使用漏斗算法對基于虛擬鏈路的幀進行流量管制，該算法支持4096條虛擬鏈路的流量管制，通過每條虛擬鏈路的管制信用量與參考信用量比較實現。

4.2.2 交換與調度技術

4.2.2.1 AFDX交換機的共享存儲交換

為實現端口間的無阻塞交換，存儲器的總線帶寬應2*24倍加速，滿足共享存儲式交換結構的吞吐量要求的總線帶寬至少為4.8Gbit/s。同時為避免信息的丟失，在MAC接收端增加內部緩存，接收緩存的設計可以存放兩個最長幀，兩個單元交替工作。在輸出端，為實現高低優先級幀數據輸出，每個端口需要兩個高低優先級隊列，所以24端口交換機就需要48個輸出緩存隊列。

4.2.2.2 AFDX交換機的路由調度策略

針對AFDX交換機的共享存儲交換模式，采用隊列調度方法，分為接收調度和發送調度，以實現快速交換。為防止交換機24個輸入緩存隊列溢出并且減少接收幀的延時，接收調度需要將存儲在接收緩存中的幀快速地轉發到發送隊列中。由于經過交換機的幀的長度是可變的，在設計中采用輪詢調度即依次對24個端口進行調度，輪詢調度可以保證經過過濾和流量管制的幀根據轉發表快速高效地轉發到輸出共享緩存隊列中。

發送調度對保存在共享緩存隊列中的轉發幀進行調度。如果基于虛擬鏈路的幀的優先級相同，那么輪詢調度會有序地把幀轉發出交換機；如果在配置表中設置和定義兩個級別的幀——高優先級和低優先級，交換機先調度高優先級的幀，再調度低優先級的幀，并且為防止低優先級的幀永遠發送不出去，正在傳輸的低優先級的幀不能被高優先級幀終止傳輸。因此，每個輸出端口隊列相當于采用“靜態優先級”調度相互獨立的方法，從而滿足交換機對時延的要求[4]。

5 基于AFDX總線技術的測量系統設計

通過對箭載測量數據綜合網絡功能的分析，并結合系統層次劃分，綜合考慮擴展性、可靠性、同步能力等因素，箭載測量數據綜合網絡拓撲結構設計如圖2所示。交換機上分布著若干端口，采編終端及部分傳感器作為終端直接掛接在交換機上，終端之間通過交換機隔離，相對獨立，可以減小相互間的干擾。數據綜合終端作為實現數據綜合的核心設備，對其進行備份，并掛接在兩個不同的交換機上。

終端與交換機之間通過全雙工鏈路進行連接，交換機之間亦采用全雙工的連接方式。為保證系統可靠性，可對系統進行冗余，即通過對必要設備(終端、交換機或鏈路)的備份保證信息的可靠傳輸。冗余按照余度不同分為二余度、三余度、四余度等，按照冗余的部位不同有基本鏈路冗余、全網絡冗余。常用的冗余方式有雙環冗余和全網絡冗余，分析表明全網冗余能夠有效提高系統的可靠度，且對鏈路可靠性的變化不敏感[5]。

經過實驗室搭建的小規模系統驗證，基于AFDX總線的測量系統數據傳輸速率能夠達到100Mbps，同步性好，同時誤碼率滿足低于10-6的指標。

6 結束語

綜上所述，AFDX總線具有完整的協議結構，具有高實時性、高確定性和高可靠性的特點。該總線技術已被成功應用于多個航空型號，是目前流行的航空總線標準。經分析，可用于箭載測量系統數據綜合設計。在后續工作中，應加緊AFDX協議和設計標準的制定。

[1] 李邦復.遙測系統(上冊)[M].宇航出版社,1987.10.

[2] AEEC. ARINC 664 Aircraft Data Network (Part 7)[S].Airlines Electronic Engineering Committee, 2005.

[3] 趙永庫,李貞,唐來勝.AFDX網絡協議研究[J].計算機測量與控制,2012,20(1):10.

[4] 施太平,婁莉,田澤.AFDX協議及關鍵技術的實現[J].測控技術,2012,31(10):82～84.

[5] 萬端華,藍鯤.網絡技術在箭載測量數據綜合技術中的應用研究[J].遙測遙控,2012,33(6):50～51.

ResearchoftheApplicationofNewNetworkTechnologyAFDXinDesignofLaunchVehicleMeasurementSystem

WANG Dan WAN Duan-hua LI Wei LU Juan WANG Ning

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076，China)

Cables from one point to another point were used to transmit signals in traditional launch vehicle measurement system, which had disadvantages in terms of complex thread, large space, heavy quality, low speed of communication and so on. The application of new network technology AFDX in design of launch vehicle measurement system is presented as an idea to solve the problems. The new network technology AFDX based on Ethernet is introduced，while its characteristics and key technologies are researched and compared with other network technologies. The topology of data integration is explored for launch vehicle measurement system based on AFDX, which may provide basis for constructing a launch vehicle measurement system with higher dependability, flexibility and speed of communication.

AFDX Key technology Measurement system

2017-01-09，

2017-03-31

王丹(1982-)，女，高級工程師，主要研究方向：運載火箭測量系統總體設計。

1000-7202(2017) 04-0049-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.11

V443

A