基于1553B总线的大规模信息系统设计问题研究

某大型航天器GNC系统应用1553B总线构建了其规模庞大的信息系统,在信息系统设计过程中产生了3个问题:超长总线下的稳定通信、应用层协议的设计、多条总线的管理等。对这3个问题开展研究,描述了3个问题的由来,给出了问题的解决方法,并验证了方法的实际效果。结果表明:总线中继的方法,有效解决了1553B总线在240 m长度下的稳定可靠通信问题;广播帧计数回传的应用层协议,节省了总线数据通讯开销、并提供了丰富的故障诊断信息;遍历寻优的总线管理策略,最大程度上发挥了多机多总线系统的容错能力。

《空间数据与信息传输系统航天器1553B总线通信协议》国家标准解读

1553B总线在我国已广泛应用于各式各类的航天器中,取得了丰富的应用实践经验积累。制定GB/T 43669—2024《空间数据与信息传输系统航天器1553B总线通信协议》是为了解决1553B总线在各型号任务中制定的应用通信协议不够一致、难以跨任务、跨组织重用的问题,解决与底层1553B总线协议衔接的标准化设计问题。该标准提炼总结了我国1553B总线在航天器上应用实践的共性设计,借鉴了ECSS-E-ST-50-13C写作风格和思路,兼顾了与其在概念上和设计上的衔接,有利于今后的国际合作。本文介绍了该标准制订的背景、目的意义,以及标准主要内容的编制思路。

多网络控制器FC-AE-1553动态带宽调度机制

由于航电系统通信需求的日趋复杂化,对基于FC-AE-1553组网的通信系统需要采用多网络控制器(NC)构建分布式网络环境,如何实施多个控制器之间的控制权分配,并解决跨域业务冲突的问题是其中的关键。为实现多NC协同调度,提出了一种主从NC协作的多NC动态带宽调度机制,采用并发通信方式提高网络带宽利用率,同时提升各类业务的传输保障能力。对于周期性业务采用固定时隙进行传输,对于强时效性突发业务采用抢占式带宽分配,对于一般突发业务按照“先跨域后域内”分别进行带宽分配。通过OMNeT++搭建FC-AE-1553网络仿真平台,结果表明:该调度机制可以满足多NC条件下不同类型通信业务的协同带宽分配和调度,对于周期性业务和强时效性突发业务,可以保障其实时性通信要求;对于一般突发业务,在网络负载不超过57%时也能为其提供合适的带宽进行传输。与单NC集中式相比,当网络负载大于0.5或跨域/域内业务比值大于0.8时,多NC控制具有较明显的时延优势。

运载火箭新一代遥测系统中FC-AE-1553总线技术应用研究

随着军用电子系统对网络实时性和确定性的要求越来越高,FC-AE-1553作为一种实时性强、确定性高的基于光纤通道的命令响应网络协议,已经越来越广泛地应用于航空电子环境的数据传输、飞行控制等领域。介绍了FC-AE-1553总线的基本特性,并以运载火箭遥测系统为背景,构建简单星形网络拓扑,采用FC-AE-1553总线协议为通信载体,验证FC-AE-1553总线技术在运载火箭遥测系统中的适用性。

基于FPGA的终端一体化1553B总线协议测试系统

MIL-STD-1553B(以下简称“1553B”)总线在飞机的航电系统中作用重要。为了摆脱对国外1553B协议芯片的依赖,研究设计了1款基于FPGA的终端一体化1553B总线协议测试系统。系统采用模块化的设计方法,使用Verilog语言进行代码编写,设计实现了4路1553B总线,每路实现了BC、RT、BM终端一体化,完整地实现了1553B协议的功能,并且实现了10种类型的故障注入。通过上位机测试对该系统进行了板级验证,测试结果表明:本设计实现了预期功能,相对于功能单一的1553B协议芯片,该系统极大提高了应用场景的灵活性和可靠性。

基于双口RAM接收并处理1553B总线数据的方法研究

为了保证主机板和1553B板通过双口RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)进行1553B总线通信时的正确性和可靠性,提出了一种利用双口RAM接收并处理1553B总线数据的方法,用于实现1553B的BC(Bus Controller,总线控制器)功能。该方法对双口RAM中的地址按照子地址号进行地址分配,通过建立相同子地址序号的数据链表和建立环形缓冲区,完美解决了发送BC→RT(Remote Terminal,远程终端)报文时相同子地址数据覆盖和主机端发送的子地址序号顺序与1553B板端发送的子地址序号顺序不一致等问题。

基于FC-AE-1553总线协议的报文通信方法

提出一种FC-AE-1553总线协议报文通信方法,主控制器主机模块接收上位机控制指令并存储在消息队列中,主机模块中每次从消息队列中将实际接收到的上位机控制指令存储到主控制器可编程逻辑模块的堆栈中,并建立接收的控制指令序号和堆栈中控制指令序号的映射关系。可编程逻辑模块通过FC-AE-1553总线将该控制指令发送给桥接器模块,桥接器模块通过MIL-STD-1553总线向终端模拟器设备发送,避免出现控制指令被覆盖现象,节省了硬件资源开销,并显著提高了处理上位机控制指令的实时性和可靠性。该方法尤其适用于上位机每次发送的控制指令中涉及的RT地址和RT子地址不多,但上位机控制指令发送频率较快的情形。

FC-AE-1553网络传输性能评价

为了提高航天航空网络传输性能,提出一种通用的FC-AE-1553网络传输效率计算方法并研制高性能FC-AE-1553节点卡.首先,对FC-AE-1553网络的消息传输过程进行详细分析,分析信息类型,给出传输帧的格式建议,通过分析FC-AE-1553协议中各类消息传输的时间参数,结合FC标准中对通信时间的要求,提出FC-AE-1553网络交换中各种消息类型的通信时间计算公式.然后,针对无差错传输和有差错传输两种情况,给出了网络传输效率的计算方法.最后,通过仿真分析数据帧净荷长度、节点处理时间、交换中序列数量、传输误码率、丢包率等参数对FC-AE-1553网络传输效率的影响,给出了网络优化设计的建议.依托某航天工程任务,研制了基于XC5VFX100T和MPC8536E的FC-AE-1553节点卡.实验结果表明:丢包对传输效率的影响可忽略;数据帧净荷为2048 B,数据帧数量为16时,传输效率可达到77.2%.

FC-AE-1553网络的“并发交换式”动态带宽调度机制

为提高航天航空网络传输性能,针对低轨空间舱内有效载荷系统的特点及有效载荷系统数据传输的要求,将空间有效载荷系统的数据分为周期性业务、突发性业务及强时效性业务3种业务类型,并综合分析3种业务特征,提出了一种可应用于FC-AE-1553网络的"并发交换式"动态带宽调度(DBA)机制,即突发性业务传输采用"并发交换式"的动态带宽分配,周期性业务采用静态固定带宽分配,强时效性业务采用抢占式带宽分配的方案。采用理论分析和仿真验证的方式分析了该调度机制的可行性,并通过OPNET仿真软件建立了FCAE-1553网络仿真平台。结果表明,相比FC-AE-1553网络传统的"总线式"调度机制,所提机制可将FC-AE-1553网络的吞吐量提高10倍以上,且当网络节点数为32时,FC-AE-1553网络的吞吐量可从2.8 Gb/s提高到46 Gb/s,突发性业务的平均时延可降低1个数量级。

FC-AE-1553与MIL-STD-1553协议转换方案的设计

为了实现FC-AE-1553和MIL-STD-1553两种总线网络之间信息单元的准确传输,分析了当前航电系统的应用现状,描述了FC-AE-1553协议在总线应用方面的性能优势,提出了两种协议之间的转换方案,实现了两种信息单元格式之间的转换。在FC-AE-1553帧与MIL-STD-1553字相互映射关系的基础上,对协议转换方案进行了总体分析,并按照子功能进行了模块的划分。针对各个子模块,依据其运行机理给出了详细的设计流程。仿真分析结果表明,协议转换方案具有良好实时性能,具有很强的适应性。

总线型FC-AE-1553网络结构及实时性分析

针对仲裁环型与交换式FC-AE-1553总线时间延迟不易确定的问题,提出了一种新的基于无源光网络的总线型FC-AE-1553结构。该结构采用下行广播、上行分时复用的传输机制,消息在总线上的传输时间延迟非常确定,方便用户根据时序严格编排总线任务,适合应用于航空航天等强实时要求的环境。

基于Petri网理论的FC-AE-1553性能分析

随着综合航电系统的发展,1553B总线已经不能满足发展需要,FC-AE-1553协议作为新一代的高性能网络通信协议被引入到航电系统中,其性能指标与整个航电系统的总体指标有着密切的关系。文中给出了一套完整的基于确定与随机Petri网的FC-AE-1553性能评价模型和算法。通过对模型的求解,得到了网络系统的2个重要性能指标总线负载、延迟时间随消息数变化的规律,通过对性能曲线的分析,可对综合航电系统的设计和完善提供重要的理论依据。

基于PETRI网理论的FC-AE-1553建模与性能分析

光纤通道是新一代网络和总线技术,具有兼容性好、延迟低、可靠性高、传输速度快和传输距离远等优点,以确定与随机Petri网为工具,基于周期消息和事件消息,对光纤通道在航空电子环境的FC-AE-1553网络进行建模仿真,根据仿真计算出FC-AE-1553网络负载和系统的延迟时间两个重要的性能指标,通过对两个指标的性能曲线进行分析,有助于进一步理解航电系统事件消息在FC-AE-1553网络中的传输机制,为综合航电系统的设计和完善提供重要的理论依据。

FC-AE-1553设备光纤接口电路的设计与实现

随着航空电子技术的发展,航空电子系统对数据通信在可靠性、数据吞吐率、实时性等方面的要求越来越高,基于光纤通道的FC-AE-1533总线可以很好的满足航电系统的要求,因而它成为新一代航电总线的发展方向。在分析光纤通道协议基础上,提出了FC-AE-1553设备光纤接口电路的总体方案,完成了其中各模块的设计并开发了光纤通道接口IP核。利用该接口电路完成了NC模块的设计,并利用光纤交换机搭建了实验平台,通过与交换机进行架构登录的方法对接口电路的功能进行了测试及验证。从实验结果可以看出,光纤接口电路可以实现FC-0、FC-1的功能以及部分FC-2层的功能,满足FC-AE-1553设备对底层光纤协议的功能要求;利用本方案可以灵活构建网络控制器(NC)、网络终端(NT)或者协议桥模块,这为开发FC-AE-1553协议设备提供了便利条件。

FC-AE-1553高级特性介绍

FC-AE-1553是在光纤通道FC-4映射MIL-STD-1553B协议实现的,既具有光纤通道的优良网络性能,又具有MIL-STD-1553B的传统优势,被称为"吉比特的1553"。详细分析FC-AE-1553相对MIL-STD-1553B的不同之处,重点研究了FC-AE-1553的扩展特性,包括分布式控制,大文件传输,RDMA传输,以及与MIL-STD-1553B桥接等机制。

光纤通道与MIL-STD-1553B协议的兼容性设计

随着航空电子技术的发展,现在的航电主网络MIL-STD-1553B,其1Mbps带宽越来越不能满足高速数据交换的需求,以光纤通道来替代现有的航电网络成为重要的发展趋势,为实现系统的平稳升级,需要兼容传统的1553B设备;重点介绍了光纤通道与MIL-STD-1553B桥接的主要技术,并且给出了光纤通道兼容MIL-STD-1553B设备的软硬件设计方案,搭建了基于FPGA+HOLT1575的软硬件平台,验证了桥接设计方案的正确性与可行性,为MIL-STD-1553B总线到高速光纤网络的过度提供了设计参考。

FC-AE-1553验证系统结构研究

为了验证FC-AE-1553协议应用于航空电子系统的先进性能,通过研究F-22、F-35等先进战机的航空电子系统和FC-AE-1553协议的网络组成,提出了FC-AE-1553验证系统的总体设计和拓扑结构设计。设计的验证系统采用集中式控制、分布式处理的架构,既提高了数据和信号的处理能力和速度,又确保了数据传输的可控性和确定性;采用的混合式网络拓扑结构结合了点对点和交换网的优点,具有一定的可扩展性和灵活性。

基于1553 B总线的半实物仿真系统

1553 B总线在半实物仿真系统中得到了广泛的应用。通过研究半实物仿真原理及1553 B总线协议,设计了1553B总线控制器与远程终端软件,提出了一种能很好地节省总线资源的消息帧设计方法。通过实例讨论了基于1553 B总线的半实物仿真系统的建模方法。

基于1553B总线某型导弹测试系统设计

阐述了采用NI Technology公司的PXI总线协议接口主机箱PCI-8196和Excalibur公司的EXC-1553PCI/MCH板卡,实现基于1553B总线某型导弹的总体测试设计方案。较为全面地分析了航空总线1553B的特点、体系结构、总线特性和协议,具体阐述了基于1553B总线某型导弹测控平台的设计思想、系统结构、关键设计流程和软件编制流程。系统的研制成功,降低了研制成本,满足了某型导弹的实验测试需求,也为后续型号相关测试设备的研制提供了很好的基础。

1553B总线接口SoC验证平台的实现

随着半导体技术的发展,验证已经成为SoC设计的瓶颈。分析了SoC验证面临的困难,结合1553B总线接口SoC芯片的具体实践,重点研究了SoC验证平台的一种构建实现方法。该方法提高了验证效率,缩短了整个设计验证周期。