時間觸發(fā)以太網在航空電子系統(tǒng)中的應用

1、第 2 2 卷 第 5 期 2 0 1 5年 5月 電 光 與 控 制 E l e c t r o n i c sO p t i c s& C o n t r o lV0 l2 2No ． 5M． d v2 0 1 5d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1— 6 3 7 X ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 0時 間觸 發(fā) 以太 網在 航 空 電子 系統(tǒng) 中的 應 用

2、 蔣社 稷’ ，盧 海濤 ，史志釗 ，聶 志強 ( 1 ． 中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所 ， 河南 洛陽 4 7 1 0 0 0 ；2 ． 北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院 ， 可靠性 與環(huán)境 工程重點 實驗 室 ， 北京 1 0 0 0 8 3 )摘 要 ：首先 ， 介 紹 了分布 式綜合模塊化航 空電子 系統(tǒng)( D I M A) 的架構 ， 然后 ， 分析 了時 間觸發(fā) 以太 網( 1 v r E) 的特性 ，最后

3、 ， 針 對 D I MA架構 下的 1 T r E的通信調度 問題 ， 提 出了基于 1 T r E組循環(huán)周期 、 T T消息調度表 周期和剩余時間的調度 方法 ， 并對生成的通信調度表進行 了分析 和評 價。關鍵詞 ：分布式綜合模塊化航空 電子 系統(tǒng) ；時間觸發(fā) 以太 網；通信調度表 中圖分類號 ：V 2 4 3文獻標志碼 ：A文章編號 ：1 6 7 1 — 6 3 7 X ( 2 0 1 5 ) 0 5 — 0 0 8 4— 0

4、5Ap p l i c a t i o no fTi m e — Tr i g g e r e dEt h e r n e ti nAv i o n i c sS y s t e m J I A N GS h e - j i， L UH a i — t a o 。 ， S H IZ h i — z h a o， N I EZ h i ． q i a n g( 1 ． L u o y a n gI n s t i t u t eo fE

5、 l e c t r o - O p t i c a lE q u i p m e n t ， A V I C ， L u o y a n g4 7 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． K e yL a b o r a t o r yo fR e l i a b i l i t ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g , R e l i a b i l i

6、 t ya n dS y s t e msE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ， B e i h a n gU n i v e r s i t y ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ， C h i n a )Ab s t r a c t ：T h ef r a m e w o r ko fd i s t r i b u t e di n t e g r a t e dm o

7、d u l a ra v i o n i c s( D I M A)i si n t r o d u c e da tf i r s t ． T h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fT i me — T r i g g e r e dE t h e r n e t(IE) a r ed e s c r i b e d ． C o n s i d e r i n gt h eT T E ’

8、Sc o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gp r o b l e m i nDI MA a r c h i t e c t u r e ， as c h e d u l i n gme t h o di sp r e s e n t e db a s e do nr r Ec l u s t e rc y c l e ，p e r i o do fr n me s s a g es

9、 c h e d u l i n gt a b l ea n dr e ma i n i n gt i me ． a n da n a l y s i si sma d et ot h eg e n e r a t e dr I 1 r r Ec o mmu n i c a t i o ns c h e d u l i n gt a b l e ．Ke ywo r d s ： DI MA ：r r E： c o mmu n i c a

10、t i o ns c h e d u l i n gt a b l e0引言 由于標準以太網具有高帶寬 、 低成本 、 開放 式架構 的突 出優(yōu)點 ， 近幾十年 研究人 員探索 采用 各種方 法對 標準 以太 網進行改造 以滿 足實時通 信需 求 ， 主要 有時 問觸發(fā) 以太 網 ( T i m e — T r i g g e r e dE t h e r n e t ， T T E) ， E t h e r n e tP O WE R

11、 L I N K ， MO D B U ST C P ， A D F X等 。r r r E是 T T T e c h公 司在 標 準 以太 網基 礎 上 開 發(fā) 的 一 種基 于 時 間 觸 發(fā) 協(xié) 議 的通信 網絡 ， 由于其將標 準 以太 網協(xié)議 、 A F D X協(xié)議 和 時問觸發(fā)協(xié)議集成 到 了一起 ， 同時具 有 標準 以太 網 和 時問觸發(fā)通信 網絡 的優(yōu) 點 ， 因而特別適 合 于混合關 鍵安全性 系統(tǒng) 的應用場合 。

12、分 布 式 綜 合 模 塊 化 航 空 電子 系 統(tǒng) ( D i s t r i b u t e dI M A， D I MA) 是在綜 合模塊化 航空 電子系統(tǒng) ( I n t e g r a t e dMo d u l a rA v i o n i c s ， I MA ) 的基 礎上發(fā)展起來 的一 種航 空 電子系統(tǒng) 架 構 ， 具 有 分 布 式 和 混合 關 鍵 安 全 性 等 新 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 9

13、— 1 3修 回日期 ： 2 0 1 5 - 0 3 - 0 2作者簡介 ： 蔣社稷 ( 1 9 8 3一 ) ， 男， 河南洛 陽人 ， 碩士 ， 工程師 ， 研 究方 向為嵌入式 系統(tǒng) _ J ： 程 。特點 。由于 1 r r E較好地 滿足 了 D I M A的要 求 ， 因而是 D I MA的理想備選 總線 網絡 ， 但 ． r r E并未 規(guī)定 消 息調 度方法 ， 其消息調 度機 制需要 根據(jù) 實際應 用場合 進行 定制

14、， 本文針 對 D I M A應用場合 ， 提 出了一種 T T E通信 調度方法 ， 并對其實現(xiàn)方法 進行 了描述 和分析 。1D I MA 概 述 D I M A是在 I M A 的基礎 上發(fā) 展起 來 的 ， I M A采用 了標準化 的一系列模塊 ( 如數(shù)據(jù)處理模 塊 、 信號處 理模 塊 、 圖形處理模塊 、 網絡路 由模塊 等 ) 組 成一個 核心處 理平 臺， 各功能子系統(tǒng)通過時間／ 空問分區(qū)的操作 系統(tǒng) ( 如 V x

15、w o r k s 6 5 3 ) 運行 在 核心 處 理平 臺上 。這 種 架 構節(jié) 省 了航 電系統(tǒng) 的體 積 、 重量 、 功耗 ， 實 現(xiàn) 了航 空電 子系統(tǒng) 的開放式 架構 。但 I M A架 構 只強 調 了功能 的 集 中整合 以共享處 理資 源 ， 但不 是所有 子 系統(tǒng)功 能均 適合進 行集 中處理 ， 特別是在混合關鍵安全性 系統(tǒng) 中，I M A架構 的功能集 中原則 限制 了系統(tǒng)架構 的進 一步優(yōu) 化 。D I M

16、A的提出可較 好地解決 這個 問題 ， D I M A實際 上是一種分布式、 混合關鍵安全性的系統(tǒng) ， 可以將不同安全級別 的功能 ， 如音頻 、 視 頻 、 實 時關鍵性控 制數(shù)據(jù) 8 6電 光 與 控 制 第 2 2卷 2 )與之相連的 S M和 s C接收 C M發(fā)送的更新后的 P C F ， S M根據(jù) P C F調整本地時鐘 C S M， 被稱為 S M 同步 。圖 3T T E時鐘同步流程圖 F i g ． 3T i me

17、s y n c h r o n i z a t i o na p p r o a c ho fTr E從上 述時鐘 同步 的過程可 以看 出： 在 1 1 r I 1 E時鐘 同 步的過程 中是將所有 的 S M 時鐘通 過壓縮 算法計算 出 來 的結果作為 同步時鐘 ， 并 不存在 統(tǒng)一 全局 時鐘。在 實際應用 中， 由于各個節(jié) 點本地 時鐘 晶振存 在抖動 和 漂移 ， 在通信過程 中也會 出現(xiàn)各 種干 擾或其 他不 可預 知 的

18、情況 ， 又會 造成系統(tǒng)的不 同步 ， 所 以在 系統(tǒng)運行 的 整個過程 中需要 周而復始地執(zhí)行 時鐘 同步過程 。3D I MA下 T T E的調 度方法 r n、 E協(xié)議 的時鐘同步機制保證了 網絡 中各 個設備 的時鐘完 全 同步 ， 這 為 r 丌 消 息 的調度提 供 了必要 條 件 ， 以避免幀之問發(fā)生爭用物理鏈路 的情況 。由于 D I —M A具有分布式和混合關鍵安全性的特點， 以圖2 所示 的 D I M A網絡為例

19、， 假 定網絡上有 5種周期 消息 ( 對 于 事件 削 ， 為減小復雜性 ， 按條件周期 消息處理 ) ， 其 在 D I MA網絡中的分布如表 1 所示 。表 1D I MA 網絡消息分布表 Ta b l e1Th em e s s a g ed i s t r i b u t i o no fDI M A n e t wo r k為保證 實時性和減小 T T E調度復雜度 ， 本 文設計 了一種按照靜態(tài)通信 調度 表進行 周期

20、性 調度 的方法 ，該調 度表 的生 成基于 3個 要素 ， 即 T T E組 循環(huán) 周期 、丌 消息調度表周期和剩余時間。3 ． 1T T E組循環(huán) 周期 1 v r E組循環(huán)周期是指在一 個 r 丌E網絡中 ， 一組 T T消息完成傳輸所需 的循 環(huán) 時間。所有 T T消息 的調度 傳輸均在組循環(huán)周期內重復進行， 為避免 r 丌 消息傳輸 的沖突 ， 組循環(huán)周期大小 為組 內所有 1 T r 消息周期的最 小公倍數(shù) ， 圖 2中 D

21、 I M A網絡 有編號 為 A， B ， C ， D， E的 5種 1 r 【 ． 消 息 ， 其 傳輸 周 期分 別 為 2m s ， 3m s ， 3m s ， 4m s ， 4m s ， 則 組循 環(huán)周期 為 1 2m s 。3 ． 2T T消息調 度 表周 期 兀1 消息調度表 周期 是指 在 1 1 r r 消息 調度 時 ， 人 為 設定 的最小調度 間隔時間。同樣 以圖 2中 T T E網絡為 例 ， 本文通過 以下 2

22、個步驟可推導出 2 種 T T消息 調度 表周期 。1 )計算最小周期 。最小周期可 以是 1 v r 消息 的傳 輸周期 ， 但必須小于等于傳輸周期最小值 ， 若最小 周期 大于該值則除 2 再次進行比較， 直到滿足要求。根據(jù)這種方法 ， 傳輸周期分別為 2m s ， 3m s ， 3m s ， 4m s ， 4m s的一組 T T消息 的最小周 期 分別 為 2m S ， 1 ． 5I l l S ， 1 ． 5ms， 2ms， 2

23、ms 。2 )確定 1 T r 消息 調度表 周期 。每 個 1 T r消息 的調 度表周 期在最小周 期 的基礎上 確定 ， 其 值需 小于 等于 傳輸 周期 ， 且 為 N最小周期 ( Ⅳ為正 整數(shù) ) 中的最 大 值。根 據(jù)這種 方法 ， 基 于最小周 期 為 2m s 的 T T消息 調度表 ， 周期分別 為 2I l l s ， 2m s ， 2m s ， 2m s ， 2m s ； 基于 最小周期為 2 ． 5m s的 啊

24、消息調 度 表 的周 期 分別 為 1 ． 5ms ， 3ms， 3ms， 3ms， 3ms 。3 ． 3 剩余 時 間 本文提到的剩余 時間是 指在 r 丌E網絡 中 T T消息 傳輸完成后剩余 的時 問 ， 這段剩 余 時間可 以用來 傳輸 R C與 B E消息 。剩余 時間調 度方 法分 連 續(xù)式 剩余 時 間法和分布式剩余 時間法 2種 。連續(xù)式剩余時間調度法原理如圖 4所示 。在一 個 通信周期 中， 首先完成 所有 r I

25、T r 消息 的連續(xù)傳 輸 ， 剩余 時問排放在周期 的最后 時間段 ， 這種調度 方法 剩余 時 問片較大 ， 適合于傳輸較大的 R C和 B E消息包 。圖 4T T消息連續(xù)式剩余時間調度法 F i g ． 4T Tme s s a g e ss c h e d u l e di nc o n t i n u o u so f f s e tf o r m分布式剩余 時間調度法原 理如圖 5所示 。圖 5T T消息分 布式 剩余 時

26、間調度法 F i g ． 5T Tme s s a g e ss c h e d u l e di nd i s t r i b u t e do f f s e tf o r m 在一個通信周期 中 T T消息 和剩余 時 間均按分 布 式方法進行調度 ， 這種 調度方 法使 得 T T消 息和 R C+B E消息有 同樣的幾率進行調度傳輸 ， 但 由于該調 度方 法 的剩余 時間 片相對 較小 ， 適 合 于傳輸 較 小 的 R C