CN102130722A - 光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统，包括FPGA模块、双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路、2×2光开关和波分复用器，其中FPGA模块分别与双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路和2×2光开关通信，飞行控制计算机2和3之间通过波分复用器分别与2×2光开关连接。本发明系统在硬件上采用光开关和波分复用器来实现故障检测和多故障工作，同时采用USB串行传输协议，保证了信息传输的可靠性。

Description

光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统

技术领域

本发明涉及一种光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统，属于飞行操纵系统中光交叉数据链路的技术领域或光传飞行控制的技术领域

背景技术

现代飞机均采用电传操纵系统(Fly-By-Wire，FBW)，进一步减轻了飞行操纵系统的重量和体积，节省了设计和安装时间，提高了飞行操纵系统的品质。然而，随着未来飞机的性能要求不断提高，电子设备日趋复杂，导致电缆用量不断增加、线路布局更加复杂，电传操纵系统自身的缺陷开始凸现，其中最主要的是它不能防御电磁干扰(EMI)和闪电等造成的电磁脉冲(EMP)。同时，未来飞机期望采用复合材料代替目前使用的铝合金，以大大减轻飞机重量和提高飞机的机动性和经济性。但是作为飞机蒙皮的铝合金外壳起着电磁屏蔽罩的作用，它可以减轻飞机遭电磁干扰时对飞控系统的影响。因此，未来飞机若不采用铝合金材料，则意味着其屏蔽作用被削弱乃至消失。

解决上述问题最根本的途径是把光纤传输技术应用于飞行控制系统，即采用光传操纵系统(Fly-By-Light，FBL)，所谓光传操纵，是指飞机的飞行控制、发动机控制均以光纤作为信号传输媒介，以光信号代替电信号进行信息传输。光传操纵系统传输容量大，可有效地防御EMI、EMP，防止雷击、核爆炸等引起的电磁脉冲干扰，而且能够进一步减小体积和重量，大大改善飞机的操纵品质，提高飞机系统的可靠性。目前国外已有研究者开展了应用于军民飞机的FBL系统及光传余度技术的研究[1-3]。本课题组于上世纪末开始一直从事光传飞行控制实现技术的研究，已在光传复用传输和光传作动器等关键技术方面取得了一系列的突破[4]。

采用光传操纵系统后，为了进一步提高飞行控制的可靠性，保障飞机的安全飞行，还需采用余度技术设计飞行控制系统，即通过增加余度资源屏蔽故障部件的影响，提高飞行控制系统的可靠性，典型的有三余度光传飞控系统[5]。光交叉通道数据链路(OpticalCross-Channel Data Link，OCCDL)是保证光传余度飞行控制系统正常运转的关键部件。文献[6]中给出了一种光交叉通道数据链路的实现方案，它通过采用光波分复用器实现了单纤双向信息传输和环形网络拓扑结构，其优点是减少了光纤的数量，但同时使得其只具有单链路故障容错能力，在可靠性上不能满足现代飞行控制系统发展的需求。

参考文献：

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[6]Tu Tianxiang Huang Jianfeng，Wang Qingyang，etl，Design of high-speed serial real-timecommunication bus based on FPGA and fiber，Manufacturing Automation，vol.31(6)，2009，pp：86-88(In Chinese).

[7]Chen Ximing，Liang Bin，Optical switch technologies and its application in all opticalnetwork，Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(NaturalScience)，vol.19(6)，2007，pp：702-705(In Chinese)

[8]Huang Zhifeng，Yang Yidong and Wang Xinhua，WDM Fly-By-Light Flight ControlSystem Design，Aero Weaponry，vol.2005(2)，2005，pp：7-11(In Chinese).

[9]Emray R.Goossen，Larry A.Nelson，James W.Woods.Fault tolerant optical cross-channeldata link[P].US：5396357，1995.3.

[10]Yang Liu，Yang Yidong and Wang Xinhua，WDM Fly-by-Light flight control systemdesign based on USB，Optical Comunication Technology，vol.2006(9)，2006，pp：34-36(InChinese).

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，为了进一步提高OCCDL的可靠性和容错能力，在不增加其重量和体积的前提下，设计了一种双余度、高速光交叉通道数据链路信息传输系统。该系统在硬件上采用光开关和波分复用器来实现故障检测和多故障工作，同时采用USB串行传输协议，保证了信息传输的可靠性。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统，其特征在于包括FPGA模块、双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路、2×2光开关和波分复用器，其中FPGA模块分别与双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路和2×2光开关通信，飞行控制计算机2和3之间通过波分复用器分别与2×2光开关连接。

所述FPGA模块包括三态数据总线、三态地址总线、双口RAM读写逻辑模块、OCCDL故障诊断模块、OCCDL容错逻辑模块、两个FIFO模块、光开关控制模块、解码/串并转换模块和编码/串并转换模块，其中三态数据总线的输出端依次串接OCCDL故障诊断模块、OCCDL容错逻辑模块后分别接三态数据总线和光开关控制模块的输入端，三态数据总线的输出端串接第一FIFO模块后接编码/串并转换模块的输入端，解码/串并转换模块的输出端串接第二FIFO模块后接三态数据总线的输入端，三态地址总线的输入端接双口RAM读写逻辑模块的输出端，双口RAM读写逻辑模块的输入端分别接OCCDL容错逻辑模块和解码/串并转换模块的输出端，双口RAM读写逻辑模块同时与三态数据总线双向通信。

本发明采用了双口RAM作为OCCDL与飞控计算机的接口，其具有数据交换速度快，实时性强，且不占用飞控计算机的处理时间；IDT7028双口RAM可高速存储数据，其最快存储时间为15ns，可与大多数高速处理器配合使用，而无需插入等待状态。飞控计算机只对双口RAM进行读写，不负责OCCDL的管理，光交叉通道数据链路的工作是独立的，不占用飞控计算机的处理时间。另外，采用仲裁逻辑标志器和查询工作方式后，一方面保证了数据不会发生丢帧现象，另一方面也保证了系统的实时性。

采用了FPGA作为OCCDL接口的控制模块，提高了逻辑运算速度和可靠性。FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。

选用的MEMS光开关既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性等优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。

采用了光开关和波分复用器作为故障容错逻辑的执行部件，即不会增加整个系统的重量，又可实现在四条链路发生故障时，仍可实现整个系统的正常工作。

该光交叉通道数据链路与飞控计算机之间是独立工作、故障隔离的。除此之外，它还具有可靠性高、信息传输容量大以及多条链路故障工作等特点。

附图说明

图1：光交叉通道数据链路接口模块结构图；

图2：双口RAM工作原理图；

图3：FPGA模块的功能图；

图4：光链路(或波分复用器)故障逻辑，(a)两条链路故障，(b)三条链路故障，(c)四条链路故障；

图5：光开关故障逻辑图。

具体实施方式

本设计的光交叉通道数据链路接口模块如图1所示。该模块主要由现场可编程门阵列(FPGA)模块、双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路、2×2光开关和波分复用器(WDM)等组成。

双口RAM用于存储各飞控计算机余度管理所需的信息，是连接飞控计算机与链路接口模块的桥梁。根据实际系统要求和未来扩展的需要，本系统中选用了64K×16bit的IDT7028双口RAM芯片。IDT7028双口RAM有2路完全独立的数据总线、地址总线、读写信号和控制电路。

FPGA模块是整个接口电路的核心，负责实现双口RAM的读写操作、链路故障诊断与容错逻辑计算以及光开关控制等功能。考虑到可靠性和可扩展性，本系统选用了Altera公司的军用级Stratix II系列FPGA模块。

光/电转换电路和电/光转换电路完成光电信号的相互转换。光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。在本系统中主要是利用光开关进行故障切换，因此选用了带旁路功能的微电子机械(MEMS)光开关，它是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，来改变输入光的传播方向。

波分复用(WDM)是一种把不同波长的光作为信息的载波，采用合波器将不同波长的光信号合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由分波器将这些不同波长承载着不同信号的光载波分开的光纤传输技术。由于本系统只需要三个波长通道，因此选用了高可靠、低成本的稀疏波分复用器。2×2光开关和波分复用器相互配合，共同组成了光交叉数据链路的容错结构。

当以上各组成部件均正常工作时，整个接口模块的工作流程为：当FPGA探测到飞控计算机1更新了双口RAM中信息后，将其读入到其内部的FIFO中，并立即进行并串转换，输出到电/光转换电路1a和2a，然后经过光开关1a和2a输出到波分复用器2a和3b的λ₁通道中，分别送到光传飞控计算机2和3。当飞控计算机2或3中的信息发生变化时，也会发送数据到飞控计算机1的接口模块，当FPGA接收到这些数据后，将立即更新双口RAM中的相应数据区，并通知飞控计算机1，读取RAM中的信息。

当某组成部件出现故障时，接口模块的故障切换流程如下：波分复用器中的λ₂通道作为第一备份通道，在相应波分复用器的λ₁通道发生故障时接入链路；波分复用器中的λ₃通道有两个作用：一是构成环状网络结构，传输整个链路的工作状态信息，同时通过判断是否可以接收上一环网节点的信息来监控本节点与上一节点间的光链路是否存在故障，二是当λ₁通道和λ₂通道同时发生故障时，作为第二备份通道接入链路进行数据传输。

下面分别对该光交叉通道数据链路的关键部件的工作原理进行分析。

飞控计算机和FPGA的数据总线和地址总线通过接口电路分别与双口RAM数据总线和地址总线相连接，读写信号和仲裁逻辑与双口RAM存储单元对应连接后，分别通过外部电路的地址译码、读写信号和控制电路的相互配合，就可互不干扰地分别通过数据总线对双口RAM存储单元进行数据的交换和存取，具体结构框图如图2所示。

在此，首先将存储单元均分成四部分，前面三个部分用于余度数据的存储与交换，第四部分用于存储光交叉通道数据链路工作状态等信息，供飞控计算机余度管理使用。其次，当双口RAM的某一端进行相应模块的数据更新时，另一端可通过查询仲裁逻辑标志器状态变化获知，并进行相应的操作。IDT7028仲裁逻辑标志器实际上是8个锁存器，与双口RAM相独立，用作两个读写端口之间的标志传送，以表明共享的双口RAM是否在使用。如果双口RAM正在使用中(相应标志锁存器状态为0)，就循环检测标志锁存器的状态，直至另一端读写结束(相应标志锁存器状态为1)，再对双口RAM进行读写。

本系统中飞控计算机对本通道的余度数据进行更新后，需要交叉数据链路将更新后的数据立刻发送到其它通道。这就要求FPGA不断查询相应的标志锁存器，当其状态发生变化时

表明飞控计算机已完成了相应数据的更新，FPGA立刻获取双口RAM的控制权，将数据读出并发送出去。其它通道数据和工作状态信息的交换过程与此类似。

本系统以FPGA模块为核心，协调整个光交叉通道数据链路的工作，主要完成故障诊断与容错逻辑算法，与双口RAM的数据交换，光开关控制，串并转换、数据传输编码与解码等功能，如图3所示。

其工作原理描述如下：

首先，由OCCDL故障诊断模块读取双口RAM中存储的整个链路的工作状态信息，进行故障诊断，然后将诊断结果送入OCCDL容错逻辑模块，该模块根据故障情况为双口RAM读写逻辑模块指定数据输入/输出通道，同时控制相应的光开关，接通相应的传输通道，并将链路故障信息及容错逻辑计算结果通过数据总线存储到双口RAM工作状态信息区。

此后，FPGA的双口RAM读写逻辑模块不断查询双口RAM的仲裁逻辑标志器，当本通道数据更新完成时，获取双口RAM的控制权，从中读取所有本通道余度数据，发送到OCCDL容错逻辑指定的FIFO中，进行编码和并串转换后，输出到相应的电/光转换电路。若有其它通道的数据到来，则相应通道会自动接收数据，并进行解码和串并转换，存储到相应的FIFO中，随后发送信号给双口RAM读写逻辑模块，由其将数据写入相应通道数据块。此时飞控计算机查询到该通道仲裁逻辑标志器的状态变化后，获取双口RAM的控制权，将数据读入。

最后，由OCCDL容错逻辑模块将整个链路的工作状态信息读入到相应的FIFO中，通过相应的链路(波分复用器2b和3a的λ₃通道)传输到环网的下一个节点。如果接收到上一节点发送的工作状态信息则直接通过双口RAM读写逻辑模块存入相应的数据块中，以备下一次OCCDL故障诊断模块使用。

故障诊断与容错逻辑设计的目的就是最大限度地提高完成任务的可靠性和飞行安全性，并在产生故障后，有效利用系统可用资源，使系统性能降低最小，并为故障瞬态提供保护。由于光交叉通道数据链路故障诊断与容错逻辑采用了可编程硬件FPGA来实现，因此其计算速度快，可靠性高。下面分别就各关键部件出现故障时的容错逻辑算法进行分析研究。

光链路是指连接两台飞控计算机的光纤链路。当一条光链路或波分复用器发生故障时，如假设波分复用器3a发生故障，则只需将波分复用器3a的λ₁通道用波分复用器3b的λ₂通道来代替即可。在飞控计算机1(节点1)和飞控计算机3(节点3)之间形成一条双向通信光链路。

当两条光链路或非成对的两个波分复用器发生故障时，分两种情况来讨论，如图4(a)所示。图4(a)中第(1)种情况同一条光链路发生故障时相似，即用另一条光链路双向信息传输来代替故障链路。图4(a)中第(2)种情况，在节点1和节点3之间没有直接通路，因此需要通过将节点2上备用通道的光开关打到旁路状态来形成节点1和节点3之间的直接光链路。

当三条光链路或非成对的三个波分复用器发生故障时，也分两种情况讨论，如图4(b)所示。图4(b)中第(1)种情况同一条光链路发生故障或两条光链路发生第(1)中故障时相似。图4(b)第(2)种情况与两条光链路发生第(2)种故障时相似，在节点1和节点3之间也没有直接通路，不同的是，此时节点1与节点2之间的备用通道已经在使用，因此需要通过将节点2上的光开关在正常工作状态和旁路状态之间协调切换来形成节点1和节点3之间的直接光链路。即当需要节点1和节点2之间交叉通信时，光开关工作在正常工作状态，而当需要节点1和节点3之间交叉通信时，光开关工作在旁路。

当四条光链路或非成对的四个波分复用器发生故障时，要分三种情况来讨论，如图4(c)所示。图4(c)中第(1)种情况同三条光链路发生第(2)种故障时相似。图4(c)中第(2)种情况与第(1)种情况不同在于节点1和节点3之间没有光开关通路，无法形成直接光链路。此时需要节点2将其接收到的节点1和节点3的数据交叉发送给节点3和节点1，即节点1和节点3之间的数据传输需要通过节点2来中转。图4(c)中第(3)种情况下，节点2和节点3之间可正常交换数据，而二者与节点1没有可用通路，此时光交叉通道数据链路故障已影响到了整个系统的正常工作。

由此可见，当发生四条光链路故障(图4(c)中第(3)种情况除外)时，通过光交叉通道数据链路的故障容错逻辑切换后不会影响到整个系统的工作。

光开关和光电转换模块除了配合光链路故障容错逻辑算法外，其自身的故障也会影响光链路故障容错逻辑，因此在调用光链路故障容错逻辑算法前需首先对光开关和光电转换电路部分进行故障容错逻辑切换，其流程如图5所示。

链路接口工作状态主要记录了每个光电转换模块、光开关、波分复用器和光链路的故障状态，如是否正在被使用、被哪个通道使用等信息。

光开关1c和2c被占用是指被余度数据传输通道占用，而不是指被链路接口工作状态数据占用。当余度数据传输需要占用光开关1c或2c时，链路接口工作状态数据将被附在余度数据后面一起进行传输。

如果发生多个光开关故障而使接口上的一个或两个通道无法正常工作时(此时相当于一条或两条光链路发生故障)，需要通过光链路故障容错逻辑来进行故障切换。

光电转换模块发生故障时与光开关发生故障时类似。

FPGA模块是整个OCCDL接口电路的核心，双口RAM是OCCDL和飞控计算机之间进行数据交换的唯一通道。因此，若它们发生故障，则本节点的飞控计算机就无法和其它节点的计算机进行通信。FPGA模块和双口RAM发生硬件故障的概率较之于软件故障概率要小得多，因此要想提高二者的可靠性，就必须在设计软件时采取相应容错措施。

Claims (2)

1.一种光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统，其特征在于包括FPGA模块、双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路、2×2光开关和波分复用器，其中FPGA模块分别与双口RAM、光/电转换电路、电/光转换电路和2×2光开关通信，飞行控制计算机2和3之间通过波分复用器分别与2×2光开关连接。

2.根据权利要求1所述的光传飞行控制系统交叉通道数据链路系统，其特征在于所述FPGA模块包括三态数据总线、三态地址总线、双口RAM读写逻辑模块、OCCDL故障诊断模块、OCCDL容错逻辑模块、两个FIFO模块、光开关控制模块、解码/串并转换模块和编码/串并转换模块，其中三态数据总线的输出端依次串接OCCDL故障诊断模块、OCCDL容错逻辑模块后分别接三态数据总线和光开关控制模块的输入端，三态数据总线的输出端串接第一FIFO模块后接编码/串并转换模块的输入端，解码/串并转换模块的输出端串接第二FIFO模块后接三态数据总线的输入端，三态地址总线的输入端接双口RAM读写逻辑模块的输出端，双口RAM读写逻辑模块的输入端分别接OCCDL容错逻辑模块和解码/串并转换模块的输出端，双口RAM读写逻辑模块同时与三态数据总线双向通信。

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