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[導(dǎo)讀]摘要:隨著空空導(dǎo)彈的發(fā)展,給內(nèi)部通訊系統(tǒng)提出了新的要求,比如高速、小型化、強(qiáng)電磁兼容性、通用化、模塊化,目前使用的各種總線均存在一定的局限性。光纖通訊在軍事領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的發(fā)展和應(yīng)用,建立了一些標(biāo)準(zhǔn)

摘要:隨著空空導(dǎo)彈的發(fā)展,給內(nèi)部通訊系統(tǒng)提出了新的要求,比如高速、小型化、強(qiáng)電磁兼容性、通用化、模塊化,目前使用的各種總線均存在一定的局限性。光纖通訊在軍事領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的發(fā)展和應(yīng)用,建立了一些標(biāo)準(zhǔn)。因此通過對光纖通訊在空空導(dǎo)彈中的應(yīng)用研究,給出了物理層和協(xié)議層的解決方案。通過分析,基于光纖通訊的高速、小型、通用、模塊化的通訊系統(tǒng)是空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。
關(guān)鍵詞:空空導(dǎo)彈;飛控系統(tǒng);光纖;總線;通訊

0 引言
    空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)是導(dǎo)彈信息處理的核心部分,擔(dān)負(fù)著與彈內(nèi)外通訊的功能。飛控系統(tǒng)與其他各系統(tǒng)的通訊總線形式多樣,總線形式主要有一次性指令、模擬量、ARINC429總線、1553B總線、RS 422總線、LVDS總線、并行總線等,存在通訊速率低、易受電磁干擾、線纜粗重、總線形式多樣、不易組網(wǎng)、測試設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)??湛諏?dǎo)彈未來發(fā)展的方向是信息量大、傳輸速率高、小型化、抗強(qiáng)電磁干擾等,因此目前的總線方式不能滿足要求。而光纖通訊隨著技術(shù)的發(fā)展,已具備通訊速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、線纜輕便、易小型化等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前飛機(jī)內(nèi)部已逐步形成了以光纖傳輸?shù)目偩€系統(tǒng),相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)已建立,在載機(jī)的懸掛系統(tǒng)中預(yù)留了光纖接口作為未來發(fā)展的需求,而且也有許多以光纖為物理層,將其他總線協(xié)議移植到光纖總線上的應(yīng)用,因此構(gòu)建以光纖為物理層的總線通訊系統(tǒng),制定統(tǒng)一合理的總線協(xié)議,是解決空空導(dǎo)彈發(fā)展問題的一種方法。

1 空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)通訊現(xiàn)狀及存在問題
    在空空導(dǎo)彈中,飛控系統(tǒng)肩負(fù)著導(dǎo)彈內(nèi)外的信息交換功能,負(fù)責(zé)與載機(jī)、導(dǎo)引系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、舵控系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信息交換,未來可能還要增加與引戰(zhàn)系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)的數(shù)字通訊功能。
1.1 通訊總線現(xiàn)狀
    目前飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的總線主要有:ARINC429總線、1553B總線、RS 422總線、LVDS總線、BMK總線等,如圖1所示。


     ARINC429總線是一對單向、差分耦合、雙絞屏蔽線,最高速率為100Kb/s??偩€上只允許有1個(gè)發(fā)送設(shè)備,可以有多個(gè)(小于等于20個(gè))接收設(shè)備。信息傳輸采用雙極性歸零制的三態(tài)碼調(diào)制方式。每個(gè)ARINC429字由5部分組成:
    (1)標(biāo)號位LABEL:用于區(qū)分字的物理含義,等同于數(shù)據(jù)幀的地址;
    (2)源目的識別位(SD):可以用以區(qū)分多系統(tǒng)中的源和日的地;
    (3)數(shù)據(jù)位(DATA):將數(shù)據(jù)編碼;
    (4)符合狀態(tài)位(SSM):用以表征數(shù)據(jù)字的特性,如方向、符號等;
    (5)奇偶校驗(yàn)位:可以選擇奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn);
    RS 422總線是一對單向、差分傳輸、雙絞屏蔽線,最高速率可達(dá)10 Mb/s;總線上只允許有1個(gè)發(fā)送設(shè)備,最多10個(gè)接收設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了硬件接口的電氣特性,支持單點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊方式,未規(guī)定接插件、電纜、頂層通訊協(xié)議;而實(shí)際用法為:協(xié)議約定好字?jǐn)?shù),第一個(gè)為狀態(tài)字,后面是數(shù)據(jù)字,最后是校驗(yàn)字,為點(diǎn)對點(diǎn)通訊協(xié)議;
    LVDS總線是低壓差分電流驅(qū)動總線,通信速率可達(dá)600Mb/s,信號有效電壓為300 mV,在高速率通訊中電壓擺幅??;由于信號電壓過低,所以通訊易受干擾。LVDS總線與RS 422總線類似,主要規(guī)定了電氣特性,無頂層通訊協(xié)議,在應(yīng)用時(shí)自行規(guī)定通訊協(xié)議,協(xié)議與RS 422總線應(yīng)用類似;
    1553B總線是數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線,它由數(shù)據(jù)總線、遠(yuǎn)程終端、總線監(jiān)視器、總線控制器組成??偩€系統(tǒng)信息傳輸?shù)目刂茩?quán)惟一歸總線控制器所有;采用指令/響應(yīng)型的異步操作;信息傳輸采用半雙工方式;數(shù)據(jù)總線上的信息流由消息組成。1553B有完備的通訊協(xié)議,每個(gè)字由20位組成,分為命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字三種類型。其中,命令字包含以下信息:遠(yuǎn)程終端地址、發(fā)送接收狀態(tài)位、子地址(或方式代碼)、數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)(或方式代碼);數(shù)據(jù)字:根據(jù)協(xié)議自行確定或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn);狀態(tài)字包含以下信息:遠(yuǎn)程終端地址、消息差錯(cuò)、測試手段、服務(wù)請求、廣播指令、忙等狀態(tài);主要由位來表示;
    雙口RAM是并行總線的一種形式,協(xié)議自定,根據(jù)地址來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)用途。
1.2 通訊方式現(xiàn)狀
    飛控系統(tǒng)與各載機(jī)和各分系統(tǒng)的通訊方式依據(jù)任務(wù)性質(zhì)的不同而不同,具體情況如下:
    (1)與導(dǎo)引系統(tǒng):周期性、雙向、雙工、同步、實(shí)時(shí)性低;
    (2)與載機(jī)系統(tǒng):單項(xiàng)或雙向、異步、被動(飛控被動發(fā)送、接收);
    (3)與GPS系統(tǒng):周期、雙向、雙工、異步;
    (4)與舵控系統(tǒng):周期、雙向、異步;
    (5)與遙測系統(tǒng):周期、單向(飛控主動發(fā)送)、異步;
    (6)與引戰(zhàn)系統(tǒng):雙向、異步、一次性通訊;
    (7)與發(fā)動機(jī)系統(tǒng):單向、異步、一次性;未來預(yù)計(jì)是雙向、異步、周期性方式。
    通過上述說明,飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)采用獨(dú)立總線,全雙工通訊方式,此種通訊方式要求在硬件上每路信息都要有獨(dú)立的總線協(xié)議芯片和信號調(diào)理電路,由于總線形式多樣,路數(shù)多,因此硬件開銷很大。
1.3 目前存在問題
    以上幾種總線基本可以滿足當(dāng)前空空導(dǎo)彈研制需求,但是面對未來還存在以下幾個(gè)方面的不足:
    (1)所用總線都是電介質(zhì),抗雷電、核爆、電子脈沖彈等強(qiáng)電磁干擾能力差,尤其是與載機(jī)通訊線纜部分外露,易受外部輻射干擾;
    (2)通訊過程中有線間干擾;
    (3)在高速比如百兆、千兆以上通訊時(shí),易受地線、線間、外部等各種干擾,對傳輸線纜、端接、輻射等要求很高;
    (4)線纜粗重,不易布線,尤其是未來空空導(dǎo)彈小型化,內(nèi)部空間小,傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線線纜粗重,在彈內(nèi)不易布線,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難;
    (5)總線協(xié)議、硬件構(gòu)成、通訊速率不統(tǒng)一,硬件開銷大,無法進(jìn)行通用化、模塊化、小型化設(shè)計(jì);
    (6)測試設(shè)備復(fù)雜,長線傳輸存在串?dāng)_、感性負(fù)載影響等各種問題,電磁兼容試驗(yàn)故障隔離困難。

2 國內(nèi)外光纖通訊總線及應(yīng)用情況簡介
    光纖通訊是以光波作為信息載體,以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通訊方式。數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、光纖、光接收機(jī)、光連接器組成。目前光纖通訊已建立多種軍用標(biāo)準(zhǔn),并在各類武器系統(tǒng)中應(yīng)用。
    (1)MIL-STD-1773總線:支持光纖傳輸,1988年美國防部頒布,是MIL-STD-1553的光纖版本,頂層協(xié)議與MIL-STD-1553相同,已應(yīng)用于美軍航空、航天、海軍、F-18、山貓等飛機(jī);
    (2)AS4074-2總線:1988年美國自動工程師協(xié)會頒布,光纖分布式數(shù)據(jù)接口,具有定時(shí)令牌協(xié)議特性,為環(huán)形網(wǎng),可以動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬,主要應(yīng)用于海軍;
    (3)STANAG3910總線:歐洲標(biāo)準(zhǔn),光纖傳輸,傳輸速率20 Mb/s,指令響應(yīng)協(xié)議;應(yīng)用戰(zhàn)機(jī)EFA、RAFALE;
    (4)SFODB標(biāo)準(zhǔn)總線:又稱為IEE1393標(biāo)準(zhǔn),NASA和美國防部頒布,支持最低200 Mb/s,應(yīng)用于美國航天,采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由主控端和通訊端口兩部分組成;
    (5)Fiber Channel:又名光纖通道,美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會頒布,通訊速率為133 Mb/s~4 Gb/s,2007年形成FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn),可以與MIL-STD-1553橋接映射;應(yīng)用于Apache,B1,U2,F(xiàn)15升級型等;
    (6)而國內(nèi)在航空方面也制定了相應(yīng)的光纖總線標(biāo)準(zhǔn),對應(yīng)FC-AE-1553。
    通過以上可以看出,光纖通訊已經(jīng)在國外的軍工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,在國內(nèi)光纖通訊已應(yīng)用于地面車輛、火箭、飛機(jī)等領(lǐng)域,同時(shí)應(yīng)用光纖作為物理層映射1394、1553等多種高速總線的方式也不斷出現(xiàn)。因此光纖通訊必定是未來軍事領(lǐng)域高速有線通訊的首選方式。
    目前各種基于光纖通訊的標(biāo)準(zhǔn)中拓?fù)湫问?、通訊協(xié)議、通訊方式多樣,由于協(xié)議復(fù)雜,通訊量大,對物理層及信息處理能力要求很高??湛諏?dǎo)彈內(nèi)外通訊相對信息量少,且處理器運(yùn)算能力有限,如果將這些協(xié)議直接應(yīng)用到空空導(dǎo)彈系統(tǒng)中,會給空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)帶來很大困難,同時(shí)造成資源浪費(fèi)。因此必須設(shè)計(jì)適合空空導(dǎo)彈自身的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的硬件系統(tǒng)。

3 空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)光纖通訊總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 通訊方式設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)的通訊方式?jīng)Q定了硬件系統(tǒng)的構(gòu)成??刂葡到y(tǒng)對外通訊可以采用遍尋方式和隨機(jī)中斷方式,這要根據(jù)飛控系統(tǒng)的工作模式和通訊需求來決定。
    隨機(jī)中斷方式是現(xiàn)行飛控系統(tǒng)的通訊方式,與各系統(tǒng)可以隨時(shí)通訊,在光路上、電路上信息可以同時(shí)存在,響應(yīng)時(shí)間快,控制系統(tǒng)不必不停地對其他系統(tǒng)進(jìn)行訪問。若仍采用中斷方式,在光路、連接器、電路上均要將各路分開設(shè)計(jì),因此硬件資源開銷很大,不利于未來小型化、低成本設(shè)計(jì),因此不建議采用。
    飛控系統(tǒng)對外通訊數(shù)據(jù)量不是很大,相對控制系統(tǒng)控制對外訪問周期來說,信息傳輸時(shí)間可以忽略,因此為遍尋方式提供了基礎(chǔ)。
    采用遍尋方式時(shí),飛控系統(tǒng)作為主控端負(fù)責(zé)發(fā)起通訊,各系統(tǒng)在無飛控指令的情況下不能對飛控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)??刂葡到y(tǒng)在每個(gè)周期內(nèi)對各系統(tǒng)進(jìn)行順序訪問,也可多次訪問,發(fā)送指令、數(shù)據(jù)或者查詢分系統(tǒng)是否有發(fā)送數(shù)據(jù)請求或其他任務(wù)要求,然后進(jìn)行相應(yīng)處理。采用遍尋方式優(yōu)點(diǎn)足:可以共用信息調(diào)理電路、降低FPGA規(guī)模要求和編程難度,便于小型化設(shè)計(jì);缺點(diǎn)是當(dāng)其他系統(tǒng)有緊急通訊需求時(shí),響應(yīng)時(shí)間將會滯后,因此飛控系統(tǒng)須對外須高速遍尋,才能解決這個(gè)問題。
3.2 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)
    飛控系統(tǒng)相對載機(jī)是一個(gè)分系統(tǒng),因此總線形式要服從載機(jī)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有的通訊標(biāo)準(zhǔn)中,與載機(jī)通訊主要是1533B總線,而FC-AE-1553是載機(jī)懸掛通訊的發(fā)展方向,因此選用FC-AE-1553總線協(xié)議是惟一選擇,因此不再詳細(xì)論述。
    空空導(dǎo)彈各分系統(tǒng)內(nèi)部空間非常有限,信息處理電路不易太復(fù)雜、太昂貴。若空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊完全采用FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn),則對各系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)帶來困難,成本將大大增加。在光纖物理層上根據(jù)實(shí)際情況映射其他總線協(xié)議或者自行制定簡單易行的通訊協(xié)議,可以作為空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊的一種方式。
    制定通訊協(xié)議要考慮以下幾個(gè)方面:
    (1)模塊化:FPGA和軟件設(shè)計(jì)盡量可以模塊化,編程簡單,可復(fù)制共用,檢查、檢驗(yàn)方便;
    (2)擴(kuò)展性:同樣的硬件,隨意擴(kuò)展通汛協(xié)議,增加或者減少功能,滿足產(chǎn)品研制過程中的更改,尤其是產(chǎn)品研制后期,硬件已驗(yàn)證充分,狀態(tài)固化,軟件更改是許多功能更高的首選方式,因此協(xié)議的擴(kuò)展性和調(diào)整性必須要考慮;
    (3)自測性:通信協(xié)議一定要考慮通訊過程中誤碼、亂碼的識別和剔除,因此必須具備自校驗(yàn)功能;
    (4)可移植性:因?yàn)椴煌到y(tǒng)的科技進(jìn)步速度不同,因此產(chǎn)品的升級和算法的借用經(jīng)常發(fā)生,因此通訊協(xié)議要適合多種硬件系統(tǒng),方便移植。
    基于以上四方面考慮,結(jié)合實(shí)際情況和未來發(fā)展需求,并借鑒成熟總線協(xié)議,制定了適合空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)的總線協(xié)議方式。通訊協(xié)議分為兩層:軟協(xié)議和硬協(xié)議,軟協(xié)議是飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)之間處理功能的協(xié)議,由飛控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn),根據(jù)產(chǎn)品的具體功能自行定義;
硬協(xié)議主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息傳輸功能,由FPGA或者專用芯片實(shí)現(xiàn)。硬協(xié)議屬于底層協(xié)議,直接與物理層結(jié)合,本文的協(xié)議設(shè)計(jì)指硬協(xié)議設(shè)計(jì)。
    通訊協(xié)議采用數(shù)據(jù)幀的方式,一幀數(shù)據(jù)包含如下內(nèi)容:幀號、地址、模式代碼、幀數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)字、校驗(yàn)字,如圖2所示。


    幀號:在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以根據(jù)數(shù)量的大小分組傳輸,一組數(shù)據(jù)為1幀,為后續(xù)發(fā)展和升級預(yù)留空間。在高實(shí)時(shí)性、突發(fā)中斷較多、大數(shù)據(jù)量情況下,此方式可以提供更多的數(shù)據(jù)打包方式;
    地址:代表發(fā)送和接收的分系統(tǒng)地址,依據(jù)地址可以判斷當(dāng)前通訊的終端;通過此種地址方式,可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、點(diǎn)對點(diǎn)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),各系統(tǒng)可以根據(jù)地址判斷數(shù)據(jù)是否來源,并確定數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給本系統(tǒng);
    模式代碼(也可為命令代碼):發(fā)送命令、接收命令、狀態(tài)字、廣播方式,方便不同條件下的使用;
    幀數(shù)據(jù)長度:當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)字的個(gè)數(shù),根據(jù)不同的系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展空間,設(shè)置字長上限,可根據(jù)實(shí)際情況隨意設(shè)置;
    數(shù)據(jù)字:通訊數(shù)據(jù),可自行設(shè)置含義;
    校驗(yàn)字:可根據(jù)實(shí)際情況選擇校驗(yàn)方式,比如和校驗(yàn)、差校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)等,可由系統(tǒng)間協(xié)議自行制定。
    此協(xié)議與1553B總線通訊比較接近,將3種字合并在一幀數(shù)據(jù)中,降低了FPGA的設(shè)計(jì)難度,在實(shí)現(xiàn)協(xié)議的時(shí)候依據(jù)地址和幀數(shù)據(jù)長度來對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼,根據(jù)命令發(fā)送數(shù)據(jù),其余功能均由軟件來實(shí)現(xiàn),給軟件設(shè)計(jì)帶來多種選擇。
3.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    如果采用遍尋方式,則總線系統(tǒng)上同時(shí)只能有一種數(shù)據(jù)存在,這樣硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)就很簡單,可以大大減少硬件資源的開銷,可以做到小型化的設(shè)計(jì),原理如圖3所示。


    其中DSP負(fù)責(zé)飛控系統(tǒng)導(dǎo)航制導(dǎo)、穩(wěn)定、時(shí)序調(diào)度等各種運(yùn)算;FPGA負(fù)責(zé)與DSP進(jìn)行信息交換、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、1553B的終端接收協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等功能;
    相對載機(jī)來說導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)是一個(gè)終端,而相對于彈內(nèi)來說控制系統(tǒng)是總控端,因此為了避免與載機(jī)光路干擾,彈內(nèi)外在光路上進(jìn)行隔離,采用專用的信息處理電路、光路與載機(jī)通訊。
    彈內(nèi)采用自定義通用通訊協(xié)議,因此采用一路雙向處理電路對信號進(jìn)行調(diào)理驅(qū)動,對外是1個(gè)光纖連接器和1個(gè)分光器,由分光器將一路光信號分為多路,隨著型號的發(fā)展、對外系統(tǒng)的增加,可以通過更換分光器和軟件來實(shí)現(xiàn),控制系統(tǒng)內(nèi)部硬件系統(tǒng)不需進(jìn)行更改。因此此方案具備通用性,若各類空空導(dǎo)彈均采用此方式,則控制系統(tǒng)的通用化將成為可能,將大大提高設(shè)計(jì)效率,降低成本。
3.4 光通路設(shè)計(jì)要求
    光通路主要包括光纖、光分路器、光連接器、光收發(fā)電路幾個(gè)方面。
    控制系統(tǒng)光纖傳輸在應(yīng)用中有以下幾個(gè)特點(diǎn)和要求:
    (1)距離屬于超短距,因此光纖的損耗要求可以忽略,不受限制,對發(fā)光器的功率要求也很低;
    (2)在光路中不會同時(shí)出現(xiàn)多路信息共存,因此單模、多模光纖均可采用;對光收發(fā)模塊的激光頻率漂移等參數(shù)要求不高;
    (3)環(huán)境條件要求苛刻且可靠性要求高,對于空空導(dǎo)彈來說,環(huán)境使用要求和可靠性要求是最基本的要求,也是各種新技術(shù)、新材料在應(yīng)用過程中要克服的主要困難。同時(shí)對溫度、振動、沖擊、氣壓、高濕等條件均有嚴(yán)格要求。
    光纖選擇:光纖按材料分主要有全塑光纖、石英光纖。石英光纖在長距離通信中已占主導(dǎo)地位,其損耗低,適合長距離傳輸,但是因芯徑小,在μm級別,連接中要求較高的對準(zhǔn)精度,從而給連接帶來不便,成本較高;而聚合物光纖(POF)具備高信噪比、連接方便、重量
輕、可靠性好、價(jià)格低廉的特點(diǎn),且滿足工業(yè)級要求,因此選用聚合物光纖作為傳輸介質(zhì);
    光連接器:光纖連接器在選擇中主要考慮連接的可靠性和多次插拔的要求,連接須滿足大過載情況下的可靠連接,比如20倍重力加速情況下不能有瞬斷,插拔次數(shù)大于1000。

4 結(jié)語
    通過分析研究,應(yīng)用光纖通訊可以解決未來空空導(dǎo)彈發(fā)展面臨的電磁兼容、高速通訊、小型化、通用性等問題。根據(jù)空空導(dǎo)彈內(nèi)外通訊特點(diǎn)和要求,給出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議、信息交換方式、硬件系統(tǒng)原理的解決方案。

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