時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)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(shí) 間觸 發(fā) 以太 網(wǎng)在 航 空 電子 系統(tǒng) 中的 應(yīng) 用

2、 蔣社 稷’ ，盧 海濤 ，史志釗 ，聶 志強(qiáng) ( 1 ． 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所 ， 河南 洛陽 4 7 1 0 0 0 ；2 ． 北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 ， 可靠性 與環(huán)境 工程重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn) 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(gòu) ， 然后 ， 分析 了時(shí) 間觸發(fā) 以太 網(wǎng)( 1 v r E) 的特性 ，最后

3、 ， 針 對(duì) D I MA架構(gòu) 下的 1 T r E的通信調(diào)度 問題 ， 提 出了基于 1 T r E組循環(huán)周期 、 T T消息調(diào)度表 周期和剩余時(shí)間的調(diào)度 方法 ， 并對(duì)生成的通信調(diào)度表進(jìn)行 了分析 和評(píng) 價(jià)。關(guān)鍵詞 ：分布式綜合模塊化航空 電子 系統(tǒng) ；時(shí)間觸發(fā) 以太 網(wǎng)；通信調(diào)度表 中圖分類號(hào) ：V 2 4 3文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ：A文章編號(hào) ：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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有高帶寬 、 低成本 、 開放 式架構(gòu) 的突 出優(yōu)點(diǎn) ， 近幾十年 研究人 員探索 采用 各種方 法對(duì) 標(biāo)準(zhǔn) 以太 網(wǎng)進(jìn)行改造 以滿 足實(shí)時(shí)通 信需 求 ， 主要 有時(shí) 問觸發(fā) 以太 網(wǎng) ( 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(biāo) 準(zhǔn) 以太 網(wǎng)基 礎(chǔ) 上 開 發(fā) 的 一 種基 于 時(shí) 間 觸 發(fā) 協(xié) 議 的通信 網(wǎng)絡(luò) ， 由于其將標(biāo) 準(zhǔn) 以太 網(wǎng)協(xié)議 、 A F D X協(xié)議 和 時(shí)問觸發(fā)協(xié)議集成 到 了一起 ， 同時(shí)具 有 標(biāo)準(zhǔn) 以太 網(wǎng) 和 時(shí)問觸發(fā)通信 網(wǎng)絡(luò) 的優(yōu) 點(diǎn) ， 因而特別適 合 于混合關(guān) 鍵安全性 系統(tǒng) 的應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)上發(fā)展起來 的一 種航 空 電子系統(tǒng) 架 構(gòu) ， 具 有 分 布 式 和 混合 關(guān) 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(jiǎn)介 ： 蔣社稷 ( 1 9 8 3一 ) ， 男， 河南洛 陽人 ， 碩士 ， 工程師 ， 研 究方 向?yàn)榍度胧?系統(tǒng) _ J ： 程 。特點(diǎn) 。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(wǎng)絡(luò) ， 但 ． r r E并未 規(guī)定 消 息調(diào) 度方法 ， 其消息調(diào) 度機(jī) 制需要 根據(jù) 實(shí)際應(yīng) 用場(chǎng)合 進(jìn)行 定制

14、， 本文針 對(duì) D I M A應(yīng)用場(chǎng)合 ， 提 出了一種 T T E通信 調(diào)度方法 ， 并對(duì)其實(shí)現(xiàn)方法 進(jìn)行 了描述 和分析 。1D I MA 概 述 D I M A是在 I M A 的基礎(chǔ) 上發(fā) 展起 來 的 ， I M A采用 了標(biāo)準(zhǔn)化 的一系列模塊 ( 如數(shù)據(jù)處理模 塊 、 信號(hào)處 理模 塊 、 圖形處理模塊 、 網(wǎng)絡(luò)路 由模塊 等 ) 組 成一個(gè) 核心處 理平 臺(tái)， 各功能子系統(tǒng)通過時(shí)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(yùn)行 在 核心 處 理平 臺(tái)上 。這 種 架 構(gòu)節(jié) 省 了航 電系統(tǒng) 的體 積 、 重量 、 功耗 ， 實(shí) 現(xiàn) 了航 空電 子系統(tǒng) 的開放式 架構(gòu) 。但 I M A架 構(gòu) 只強(qiáng) 調(diào) 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(jìn) 行集 中處理 ， 特別是在混合關(guān)鍵安全性 系統(tǒng) 中，I M A架構(gòu) 的功能集 中原則 限制 了系統(tǒng)架構(gòu) 的進(jìn) 一步優(yōu) 化 。D I M

16、A的提出可較 好地解決 這個(gè) 問題 ， D I M A實(shí)際 上是一種分布式、 混合關(guān)鍵安全性的系統(tǒng) ， 可以將不同安全級(jí)別 的功能 ， 如音頻 、 視 頻 、 實(shí) 時(shí)關(guān)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(diào)整本地時(shí)鐘 C S M， 被稱為 S M 同步 。圖 3T T E時(shí)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(shí)鐘 同步 的過程可 以看 出： 在 1 1 r I 1 E時(shí)鐘 同 步的過程 中是將所有 的 S M 時(shí)鐘通 過壓縮 算法計(jì)算 出 來 的結(jié)果作為 同步時(shí)鐘 ， 并 不存在 統(tǒng)一 全局 時(shí)鐘。在 實(shí)際應(yīng)用 中， 由于各個(gè)節(jié) 點(diǎn)本地 時(shí)鐘 晶振存 在抖動(dòng) 和 漂移 ， 在通信過程 中也會(huì) 出現(xiàn)各 種干 擾或其 他不 可預(yù) 知 的

18、情況 ， 又會(huì) 造成系統(tǒng)的不 同步 ， 所 以在 系統(tǒng)運(yùn)行 的 整個(gè)過程 中需要 周而復(fù)始地執(zhí)行 時(shí)鐘 同步過程 。3D I MA下 T T E的調(diào) 度方法 r n、 E協(xié)議 的時(shí)鐘同步機(jī)制保證了 網(wǎng)絡(luò) 中各 個(gè)設(shè)備 的時(shí)鐘完 全 同步 ， 這 為 r 丌 消 息 的調(diào)度提 供 了必要 條 件 ， 以避免幀之問發(fā)生爭(zhēng)用物理鏈路 的情況 。由于 D I —M A具有分布式和混合關(guān)鍵安全性的特點(diǎn)， 以圖2 所示 的 D I M A網(wǎng)絡(luò)為例

19、， 假 定網(wǎng)絡(luò)上有 5種周期 消息 ( 對(duì) 于 事件 削 ， 為減小復(fù)雜性 ， 按條件周期 消息處理 ) ， 其 在 D I MA網(wǎng)絡(luò)中的分布如表 1 所示 。表 1D I MA 網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)性和減小 T T E調(diào)度復(fù)雜度 ， 本 文設(shè)計(jì) 了一種按照靜態(tài)通信 調(diào)度 表進(jìn)行 周期

20、性 調(diào)度 的方法 ，該調(diào) 度表 的生 成基于 3個(gè) 要素 ， 即 T T E組 循環(huán) 周期 、丌 消息調(diào)度表周期和剩余時(shí)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(gè) r 丌E網(wǎng)絡(luò)中 ， 一組 T T消息完成傳輸所需 的循 環(huán) 時(shí)間。所有 T T消息 的調(diào)度 傳輸均在組循環(huán)周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行， 為避免 r 丌 消息傳輸 的沖突 ， 組循環(huán)周期大小 為組 內(nèi)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(wǎng)絡(luò) 有編號(hào) 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(diào) 度 表周 期 兀1 消息調(diào)度表 周期 是指 在 1 1 r r 消息 調(diào)度 時(shí) ， 人 為 設(shè)定 的最小調(diào)度 間隔時(shí)間。同樣 以圖 2中 T T E網(wǎng)絡(luò)為 例 ， 本文通過 以下 2

22、個(gè)步驟可推導(dǎo)出 2 種 T T消息 調(diào)度 表周期 。1 )計(jì)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(jìn)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(diào)度表 周期 。每 個(gè) 1 T r消息 的調(diào) 度表周 期在最小周 期 的基礎(chǔ)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(diào)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(diào) 度 表 的周 期 分別 為 1 ． 5ms ， 3ms， 3ms， 3ms， 3ms 。3 ． 3 剩余 時(shí) 間 本文提到的剩余 時(shí)間是 指在 r 丌E網(wǎng)絡(luò) 中 T T消息 傳輸完成后剩余 的時(shí) 問 ， 這段剩 余 時(shí)間可 以用來 傳輸 R C與 B E消息 。剩余 時(shí)間調(diào) 度方 法分 連 續(xù)式 剩余 時(shí) 間法和分布式剩余 時(shí)間法 2種 。連續(xù)式剩余時(shí)間調(diào)度法原理如圖 4所示 。在一 個(gè) 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(shí)問排放在周期 的最后 時(shí)間段 ， 這種調(diào)度 方法 剩余 時(shí) 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(shí)間調(diào)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(shí)間調(diào)度法原 理如圖 5所示 。圖 5T T消息分 布式 剩余 時(shí)

26、間調(diào)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(gè)通信周期 中 T T消息 和剩余 時(shí) 間均按分 布 式方法進(jìn)行調(diào)度 ， 這種 調(diào)度方 法使 得 T T消 息和 R C+B E消息有 同樣的幾率進(jìn)行調(diào)度傳輸 ， 但 由于該調(diào) 度方 法 的剩余 時(shí)間 片相對(duì) 較小 ， 適 合 于傳輸 較 小 的 R C