實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭賀

【摘? 要】隨著科技的進(jìn)步，我國的航空技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了“質(zhì)”的飛躍。隨著航空電子技術(shù)的全面發(fā)展，對(duì)機(jī)載的航空電子數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能也提出了新的要求，因此原有的航空電子技術(shù)已無法滿足航空技術(shù)發(fā)展的需要，所以采用以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)航空電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信則十分必要，解決以太網(wǎng)在傳輸信息時(shí)間的確定性是當(dāng)前的首要任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】以太網(wǎng)技術(shù);航空電子系統(tǒng);實(shí)時(shí)

引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息的交換已經(jīng)覆蓋世界的各個(gè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)的發(fā)展解決了工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的確定性和實(shí)時(shí)性，這一技術(shù)的發(fā)展同樣給航空電子系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用分段化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和確定性通信調(diào)度控制策略，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備間的通信，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。以太網(wǎng)具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)這些優(yōu)勢，可以對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗脑欤员銓?shí)現(xiàn)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，更好的滿足航空電子系統(tǒng)的發(fā)展需要。

1.以太網(wǎng)的概述

以太網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代研制開發(fā)的一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，采用載波多路訪問和沖突檢測機(jī)制，應(yīng)用廣泛。如今的以太網(wǎng)常指各種采用CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)，以太網(wǎng)的幀格式與IP一致，特別適合傳輸IP數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)具有簡單方便、價(jià)格低、速度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)遵循IEEE802.3協(xié)議，采用的是CSMA/CD方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸速率為10Mbps。在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，只能同時(shí)有且只有一個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，具有限制性、不確定性和非實(shí)時(shí)性等缺點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)已難以滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量速度需求，因此以太網(wǎng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，滿足實(shí)時(shí)功能的要求，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)各層次信息的無縫連接，推動(dòng)了工業(yè)企業(yè)的技術(shù)改造和提升，加快了信息化改造進(jìn)程。

3.以太網(wǎng)在航空電子系統(tǒng)的不適應(yīng)性

由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問控制機(jī)制，因此具有通信“不確定性”的缺點(diǎn)。雖然在一定程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：

3.1以太網(wǎng)交換機(jī)的存儲(chǔ)機(jī)制使通信延遲具有不確定性

通信延遲的不確定性主要來自于其排隊(duì)延遲。無論采用哪種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)同時(shí)來自于多個(gè)端口的報(bào)文需要向同一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，交換機(jī)就必須將這些報(bào)文進(jìn)行排隊(duì)緩沖，并依次轉(zhuǎn)發(fā)。因此，交換機(jī)的緩沖池大小將直接影響了來自于某一端口的報(bào)文能否以及何時(shí)被成功轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2以太網(wǎng)交換機(jī)存在的“廣播風(fēng)暴”問題

在數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)中，人們廣泛采用廣播方式發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文，在此過程中，同樣會(huì)產(chǎn)生碰撞。

4.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的改造方法

4.1采用EPA網(wǎng)絡(luò)

采用EPA網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化智能工廠系統(tǒng)中從底層的現(xiàn)場設(shè)備層到上層的控制層、管理層的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基于以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一，即所謂的“E（Ethernet）網(wǎng)到底”。采用EPA，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)智能工廠中垂直和水平兩個(gè)方向的信息無縫集成：

通過EPA網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，來自不同廠商的現(xiàn)場智能設(shè)備和應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)信息透明互訪和互可操作。

采用EPA網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)智能工廠中從管理層、控制層直至現(xiàn)場設(shè)備層等所有網(wǎng)絡(luò)層基于以太網(wǎng)的信息無縫集成，用戶可以在世界的任何地方通過其訪問權(quán)限，直接通過常用的工具或軟件訪問智能工廠中的任何一個(gè)設(shè)備。

利用EPA開放網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS、PLC）與基于EPA的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS之間的信息無縫集成，使得工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中的大量控制和非控制信息能夠無縫地傳遞到制造執(zhí)行層和企業(yè)管理層系統(tǒng)，通過信息集成創(chuàng)新技術(shù)、數(shù)據(jù)綜合利用技術(shù)、數(shù)據(jù)增值挖掘技術(shù)等，對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)全過程實(shí)現(xiàn)高效智能化管理。

4.2制定統(tǒng)一的高層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)信號(hào)互通

所謂信號(hào)的互通，即兩個(gè)需要互相通信的設(shè)備所采用的通信介質(zhì)、信號(hào)類型、信號(hào)大小、信號(hào)的輸入/輸出匹配等幾方面的參數(shù)符合同一標(biāo)準(zhǔn)，即物理層標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，不同的設(shè)備就能連接在同一網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)互連。

如今，幾乎所有的控制系統(tǒng)都采用了以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的互連。但是，如果僅采用以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議，而沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議（如應(yīng)用層協(xié)議），不同設(shè)備之間還不能相互理解、識(shí)別彼此所傳送的信息含義，就不能實(shí)現(xiàn)信息互通，也就不可能實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)之間的互可操作。為此《EPA》標(biāo)準(zhǔn)為用戶層應(yīng)用程序定義了應(yīng)用層服務(wù)與協(xié)議規(guī)范。

5.航空電子系統(tǒng)

航空電子是指飛機(jī)上所有電子系統(tǒng)的總和。一個(gè)最基本的航空電子系統(tǒng)由通信、導(dǎo)航和顯示管理等多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。

5.1航空系統(tǒng)的智能化

新一代航空系統(tǒng)的特點(diǎn)是向智能化發(fā)展。當(dāng)代的航空電子系統(tǒng)只能將各種數(shù)據(jù)提供給駕駛員，或者經(jīng)過處理后給出引導(dǎo)性的指示信號(hào)，有時(shí)變換成易理解的直觀圖示方式，但最終的判定、決斷要駕駛員給出，利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)可以完成收集數(shù)據(jù)、推理和判斷并做出決斷，可以直接給出控制指令，也可以向駕駛員提出處理建議，由駕駛員決斷及實(shí)施控制，進(jìn)而完成信息的實(shí)時(shí)通信。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究也取得很大進(jìn)展，應(yīng)用到機(jī)載后可以使航空電子系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，人工智能的方法可以在航空電子系統(tǒng)中找到很多應(yīng)用，例如智能人機(jī)接口;本機(jī)完好情況監(jiān)視及應(yīng)急處理等。智能化系統(tǒng)使駕駛員從過量的任務(wù)負(fù)擔(dān)中解脫出來，集中精力于高層次的判斷，并可避免人腦在某些方面的能力不足。

5.2航空系統(tǒng)的通信

通信系統(tǒng)也許是航電系統(tǒng)中最先出現(xiàn)的，完善的通信系統(tǒng)航空電子的發(fā)展提供便利，飛機(jī)和地面的通信能力從一開始就是至關(guān)重要的。遠(yuǎn)程通信爆發(fā)式的增長意味著飛機(jī)必須攜帶著一大堆的通信設(shè)備。其中一小部分提供了關(guān)乎乘客安全的空地通信系統(tǒng)。以太網(wǎng)的存在剛好解決了這一問題，由于其具有速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以解決現(xiàn)代航空系統(tǒng)存在的問題，能夠促進(jìn)航空系統(tǒng)更好的發(fā)展。

5.3航空系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線

70年代以來，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、控制論的發(fā)展，使得航空電子系統(tǒng)的發(fā)展更為迅速。1980年美國專門制定了軍用1553系列標(biāo)準(zhǔn)和ARINC系列標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)總線更加規(guī)范化。目前自動(dòng)化程度較高的軍、民用飛機(jī)、如F-16、F-117、幻影2000、空中客機(jī)A340等都采用了數(shù)據(jù)總線技術(shù)。數(shù)據(jù)總線技術(shù)是我國航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已有十幾年的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)。航空航天電子系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)總線需要綜合考慮通信速率、可靠性、抗干擾、兼容性、可擴(kuò)展等要求。

6.結(jié)束語

數(shù)據(jù)總線是航空電子系統(tǒng)能夠成功傳遞信息的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線已經(jīng)不能滿足航空發(fā)展的需要。而以太網(wǎng)速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)，以后必將廣泛的應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)，滿足航空電子系統(tǒng)的時(shí)代要求。但對(duì)于以太網(wǎng)真正應(yīng)用到航空電子系統(tǒng)，還有一系列問題需要解決，建立迎合航空電子需要的以太網(wǎng)是我們工作的首要內(nèi)容。

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