CN102523108A - 基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其包括数据发生器、发送端航空电子系统、AFDX交换机等，发送端航空电子系统、接收端航空电子系统并列设在数据发生器、AFDX交换机之间，数据发生器产生数据源，第一航空电子分系统采集到来自数据发生器的数据源的各种数据帧后，将数据帧发送至第一终端系统；由第一终端系统将数据帧发送至AFDX交换机，AFDX交换机将数据帧分配至接收端航空电子系统；第二终端系统将收到的数据帧发送至第二航空电子分系统进行应用层处理。本发明可快捷、准确地完成基于航空全双工交换以太网的航空电子系统的终端系统及交换机工作参数设置，从而快速有效地实现AFDX网络通讯架构。

Description

基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统

技术领域

本发明涉及一种航空电子管理系统，特别是涉及一种基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统。

背景技术

随着航空电子技术的不断发展，各航空电子系统均处于功能全面完成、性能飞速提升的阶段，对机载数据总线的通讯带宽、组网规模、通讯调度等各方面性能提出了越来越高的需求。以往用于传统联合式航空电子系统的ARINC 429及MIL-STD-1553B等数据总线虽然具有较好的可靠性及成熟度，但因其数据传速率低(MIL-STD-1553B带宽为1Mbps，而即使是ARINC429最大传输速率也只有100kbps)、扩展能力有限(MIL-STD-1553B最多只能有31个远程终端，而每条ARINC 429总线只能有一个数据源，当纳入通信网络的终端数量增加时，其所需的物理链路会急剧增加，导致系统重量及功耗上升)等缺陷，因此，若想满足当前航空电子系统特别是符合综合模块化构型的航空电子系统对数据通信的要求，则必须选用一种新的高速数据总线。

以太网是最早由Xerox等公司在20世纪80年代初推出的局域网，1983年被IEEE 802委员会采纳，其MAC层协议由IEEE 802.3标准进行定义。以太网作为目前在民用领域使用最广泛的局域网，近年来取得了快速的发展，其传输速率可达百兆乃至更高。因此，把以太网技术应用在航空电子领域，并采取必要的措施，使其能够满足机载航空电子领域数据通信的高服务质量要求，成为了机载数据总线的研究重点。于是，在现有以太网成熟技术基础上采用COTS技术和开放式标准建立的新型网络——航空全双工交换以太网(AFDX，Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)应运而生，其高达100Mbps的带宽和较为可靠的信息传输机制为当前及未来一段时期的航空电子系统的提供了构建基础。

航空全双工交换以太网由工业标准以太网经过适用性改造而成，除可靠性与抗恶劣环境设计之外，适用性改造主要集中于实时性能的保证机制，ARINC 664规范的第7部分描述并规定了与这些机制相关的内容。

ARINC标准由多家航空公司出资，始建于1929年，职能是定义航空标准并组织标准的维护过程，以保证电子设备之间的互换性和互操作性。1949年，AEEC组织介入ARINC标准的制定工作；目前约有500个组织、5000名专业人员参与ARINC标准的制定过程。

航空电子领域的标准化组织RTCA和EUROCAE发布的是指令性标准和最小操作性能要求，ARINC标准弥补了指令化航标之外的真空。

ARINC文档被分3种类型：特性、规范和报告，它们的职能是：(1)特性：定义航空电子装备的形状、装配和接口。(2)规范：主要定义航空电子设备的：物理封装或安装；数据通信标准；高级计算机语言。(3)报告：根据航空领域公司的经验，提供指南与综合信息，一般与航空电子系统的维护与支持有关。

根据不同的类型，ARINC文档被分别编入不同的系列，定义AFDX的ARINC 664规范即属于“ARINC 600”系列，即数字化航空电子规范。

AFDX的相关规范ARINC 664的发展主要由AEEC的ADN工作组负责。该工作组的主要职责是将商用的数据网络标准用于飞行器环境，支撑飞行器平台与客舱的高速数据密集的传输需求。

ARINC 664规范的第1部分～第8部分如下：

(1)第1部分：系统概念与概貌(Systems Concepts and Overview)；

(2)第2部分：以太网物理层与数据链路层规范(Ethernet Physical andData-Link Layer Specification)；

(3)第3部分：基于Internet的协议与服务(Internet-based Protocols andServices)；

(4)第4部分：基于Internet的地址结构与编号分配(Internet-basedAddress Structure and Assigned Numbers)；

(5)第5部分：网络互连设备(Network Interconnection Devices)；

(6)第6部分：保留；

(7)第7部分：航空全双工交换以太网(AFDX)；

(8)第8部分：与非IP协议和服务的互操作(Interoperation with Non-IPProtocol and Services)。

20世纪90年代，AirBus A380项目基于成本、总线性能、灵活性和可应用性等方面因素，舍弃ARINC 429和ARINC 629数据总线，选用航空全双工交换以太网，但是现在没有基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其可快捷、准确地完成基于航空全双工交换以太网的航空电子系统的终端系统及交换机工作参数设置，从而快速有效地实现AFDX网络通讯架构。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统包括数据发生器、发送端航空电子系统、AFDX交换机、接收端航空电子系统，发送端航空电子系统、接收端航空电子系统并列设在数据发生器、AFDX交换机之间，数据发生器产生数据源，数据源包括控制信号、传感器探测信息或激励器模拟信号的数据帧，数据发生器包括控制器、传感器和激励器，发送端航空电子系统包括第一航空电子分系统和第一终端系统；接收端航空电子系统包括第二航空电子分系统和第二终端系统，第一航空电子分系统采集到来自数据发生器的数据源的各种数据帧后，将数据帧发送至第一终端系统；由第一终端系统完成对数据帧的参数设置、信息封装、链路调节、数据调度、冗余管理的数据管理后，将数据帧发送至AFDX交换机，AFDX交换机完成数据帧的过滤、流量控制的管理后，将数据帧分配至接收端航空电子系统；接收端航空电子系统的第二终端系统完成完整性检查、冗余管理的数据管理后，将收到的数据帧发送至第二航空电子分系统进行应用层处理，并可进一步转发至各非AFDX网络系统。

优选地，所述基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统对第一终端系统、第二终端系统的工作参数进行设置，完成对虚拟链路号、终端系统编号、带宽分配间隔、抖动、最大/最小帧长、完整性检查、冗余管理及冗余帧最大时间间隔的设置。

优选地，所述基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统对AFDX交换机的工作参数进行设置，完成对输入/输出物理端口号、虚拟链路号、帧允许最大/最小长度、帧优先级的设置。

优选地，所述带宽分配间隔是指在没有抖动的情况下，同一条虚拟链路上两个连续帧起始位之间的最小时间间隔。

优选地，所述抖动设置是指从带宽分配间隔开始到虚拟链路发送出去的帧的第一位之间的时间间隔，当一个终端系统需要把数据传输到多个虚拟链路时，虚拟链路的帧允许被延迟达到最大允许的抖动值来限制终端系统的瞬时帧速率，从而适应其他虚拟链路的帧传输需求。

优选地，所述完整性检查设置在无故障的网络运行下，是指对传递接收到的数据帧到余度管理，每个网络独立进行；如果有故障，完整性检查检验每个数据帧的序列号，去除无效数据帧。

优选地，所述冗余管理设置包括两个方面，如果对于冗余虚拟链路，相同的数据帧通过两个网络进行发送；如果对于非冗余虚拟链路，数据帧通过一个网络进行发送。

优选地，所述冗余帧最大时间间隔设置是指接收到的两个冗余帧之间的最大时间，是用于判断后帧是否为不同于前帧的新数据的判据。

优选地，所述帧优先级设置分为高优先级和低优先级，用于设置不同数据帧在发送时是否拥有优先权。

本发明的积极进步效果在于：本发明可快捷、准确地完成基于航空全双工交换以太网的航空电子系统的终端系统及交换机工作参数设置，从而快速有效地实现AFDX网络通讯架构，为应用层提供数据传输接口，且仅花费的成本极低。

附图说明

图1为本发明基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统的原理框图。

图2为本发明中最大带宽数据流(即无抖动情况时)的虚拟链路中的带宽分配间隔的原理图。

图3为本发明中抖动的原理图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统包括数据发生器、发送端航空电子系统、AFDX交换机、接收端航空电子系统，发送端航空电子系统、接收端航空电子系统并列设在数据发生器、AFDX交换机之间，数据发生器产生数据源，数据源包括控制信号、传感器探测信息或激励器模拟信号等数据帧，数据发生器包括控制器、传感器和激励器等，发送端航空电子系统包括第一航空电子分系统和第一终端系统；接收端航空电子系统包括第二航空电子分系统和第二终端系统，第一航空电子分系统采集到来自数据发生器的数据源的各种数据帧后，将数据帧发送至第一终端系统；由第一终端系统完成对数据帧的参数设置、信息封装、链路调节、数据调度、冗余管理等数据管理后，将数据帧发送至AFDX交换机，AFDX交换机完成数据帧的过滤、流量控制等管理后，将数据帧分配至接收端航空电子系统；接收端航空电子系统的第二终端系统完成完整性检查、冗余管理等数据管理后，将收到的数据帧发送至第二航空电子分系统进行应用层处理，并可进一步转发至各非AFDX网络系统。发送端航空电子系统、接收端航空电子系统之间可以相互转换。本发明通过对第一终端系统、第二终端系统的工作参数进行设置，完成对虚拟链路号、终端系统编号(ID)、带宽分配间隔(BAG，Bandwidth Allocation Gap)、抖动(Jitter)、最大/最小帧长、完整性检查、冗余管理及冗余帧最大时间间隔(SkewMax)等参数的设置。本发明通过对AFDX交换机的工作参数进行设置，完成对输入/输出物理端口号、虚拟链路号、帧允许最大/最小长度、帧优先级等参数的设置。

如图2所示，在无抖动的情况下，数据帧的发送过程严格按照带宽分配间隔方式进行。带宽分配间隔是指在没有抖动的情况下，同一条虚拟链路上两个连续帧起始位之间的最小时间间隔。

假设某条虚拟链路x的最大帧长Lmax＝400Bytes，BAG为32ms，则虚拟链路x的带宽如式(1)：

Nbw＝400×8×1000/32＝100000(bits/s)…………………………式(1)

假设某条虚拟链路y要支持3个应用程序端口，每个端口的数据帧传输频率为10Hz、20Hz和40Hz，即数据帧更新周期为100ms、50ms和25ms。则该虚拟链路在100ms的周期内共需传输7个数据帧，即数据帧频率为70Hz，周期为14.3ms。故只有BAG取8ms方能满足要求，频率为125Hz。

如果一个数据帧从终端系统的调度器输出端出来后没有抖动，那么BAG表示同一条虚拟链路(VL)上两个连续帧首位之间的最小的时间间隙。为了保证每一条VL的BAG，终端系统的调整器对数据帧流在发送前进行调整，以符合BAG要求。

一条虚拟链路的BAG值应满足下面的式(2)：

BAG＝2^kms(0≤k≤7，k∈Z)................................................式(2)

即BAG可取值为1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms和128ms共计八档，在应用中取小于需求值且最为接近的档位。

如图3所示，数据帧可出现在最大可接收抖动(Jitter)的范围之内。抖动设置是指从带宽分配间隔开始到虚拟链路发送出去的帧的第一位之间的时间间隔，当一个终端系统需要把数据传输到多个虚拟链路时，虚拟链路的帧允许被延迟达到最大允许的抖动值来限制终端系统的瞬时帧速率，从而适应其他虚拟链路的帧传输需求。对于一条给定的虚拟链路，在终端系统的调度器的输出端，数据帧可以出现在有限定的时间隔内，这个间隔定义为最大的可接受的抖动，这个抖动是由调度器引起的，而不是数据流自己造成的。

假设某条虚拟链路x的最大帧长Lmax＝400Bytes，某条虚拟链路y的最大帧长Lmax＝600Bytes，则每条虚拟链路允许的最大抖动值(max_jitter)应符合下面的式(3)：

则取max_jitter为123.2us，其中，Lmax表示虚拟链路上的帧最大长度，Nbw表示传输带宽。

完整性检查设置在无故障的网络运行下，是指对传递接收到的数据帧到余度管理，每个网络独立进行；如果有故障(基于序列号)，完整性检查检验每个数据帧的序列号，去除无效数据帧。终端系统在准备发送数据时，会添加一个序列号到每个等待发送数据帧中，而且每个有效的帧的序列号是递增的。帧序列号为一个字节长度，在0到255范围内循环。对于AFDX网络，完整性检验会在[PSN+1，PSN+2]间隔内为一个序列号测试每个帧。其中PSN是指是虚拟链路上接收到的前面帧的序列号。此外，运算符“+”须考虑到序列号的环绕。即，如果PSN＝254，那么PSN+1＝255，PSN+2＝1。每条虚拟链路上，可在A和B两个网络上禁止完整性检查，禁止完整性检查将允许A、B两个网络上的接收器接收所有的数据帧。

冗余管理设置包括两个方面，如果对于冗余虚拟链路，相同的数据帧通过A和B两个网络进行发送；如果对于非冗余虚拟链路，数据帧通过A或B其中一个网络进行发送。对于接收器的每条虚拟链路，冗余管理设置可确保数据帧以递增的序列号顺序进行传递。对于进行冗余管理功能的虚拟链路，对其数据帧进行冗余管理并且传递一个有效数据到上层模块；对于不具备冗余管理功能的虚拟链路，将其两个互为余度的数据都传递到上层模块。在接收端，采用“First Valid wins”算法：即不管从哪一个网络过来，接收第一个到达的携带了有效顺序号的帧，当第二个携带一样顺序号的帧到达，则认为数据重复并予以丢弃。

冗余帧最大时间间隔(SkewMax)设置是指接收到的两个冗余帧之间的最大时间，是用于判断后帧是否为不同于前帧的新数据的判据。冗余帧最大时间间隔指在进行冗余管理的虚拟链路，接收器接收到的两个冗余数据帧之间的最大时间。假设最近收到的帧的顺序号为sn，新到的帧的顺序号为rn，如果rn位于[sn-SkewMax/BAG，sn]的范围之内，则认为rn是已经收到的帧，予以丢弃；否则认为这是一个新的顺序号，进行接收。

帧优先级设置分为高优先级和低优先级，用于设置不同数据帧在发送时是否拥有优先权。对于每个输出端口，优先级设置为高的帧应该优先于低优先级的帧进行发送；但在低优先级的帧被传输的过程中，不得由于高优先级帧的到达而打断其传输。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统包括数据发生器、发送端航空电子系统、AFDX交换机、接收端航空电子系统，发送端航空电子系统、接收端航空电子系统并列设在数据发生器、AFDX交换机之间，数据发生器产生数据源，数据源包括控制信号、传感器探测信息或激励器模拟信号的数据帧，数据发生器包括控制器、传感器和激励器，发送端航空电子系统包括第一航空电子分系统和第一终端系统；接收端航空电子系统包括第二航空电子分系统和第二终端系统，第一航空电子分系统采集到来自数据发生器的数据源的各种数据帧后，将数据帧发送至第一终端系统；由第一终端系统完成对数据帧的参数设置、信息封装、链路调节、数据调度、冗余管理的数据管理后，将数据帧发送至AFDX交换机，AFDX交换机完成数据帧的过滤、流量控制的管理后，将数据帧分配至接收端航空电子系统；接收端航空电子系统的第二终端系统完成完整性检查、冗余管理的数据管理后，将收到的数据帧发送至第二航空电子分系统进行应用层处理，并可进一步转发至各非AFDX网络系统。

2.如权利要求1所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统对第一终端系统、第二终端系统的工作参数进行设置，完成对虚拟链路号、终端系统编号、带宽分配间隔、抖动、最大/最小帧长、完整性检查、冗余管理及冗余帧最大时间间隔的设置。

3.如权利要求2所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统对AFDX交换机的工作参数进行设置，完成对输入/输出物理端口号、虚拟链路号、帧允许最大/最小长度、帧优先级的设置。

4.如权利要求3所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述带宽分配间隔是指在没有抖动的情况下，同一条虚拟链路上两个连续帧起始位之间的最小时间间隔。

5.如权利要求3所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述抖动设置是指从带宽分配间隔开始到虚拟链路发送出去的帧的第一位之间的时间间隔，当一个终端系统需要把数据传输到多个虚拟链路时，虚拟链路的帧允许被延迟达到最大允许的抖动值来限制终端系统的瞬时帧速率，从而适应其他虚拟链路的帧传输需求。

6.如权利要求3所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述完整性检查设置在无故障的网络运行下，是指对传递接收到的数据帧到余度管理，每个网络独立进行；如果有故障，完整性检查检验每个数据帧的序列号，去除无效数据帧。

7.如权利要求3所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述冗余管理设置包括两个方面，如果对于冗余虚拟链路，相同的数据帧通过两个网络进行发送；如果对于非冗余虚拟链路，数据帧通过一个网络进行发送。

8.如权利要求3所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述冗余帧最大时间间隔设置是指接收到的两个冗余帧之间的最大时间，是用于判断后帧是否为不同于前帧的新数据的判据。

9.如权利要求3所述的基于航空全双工交换以太网的航空电子管理系统，其特征在于，所述帧优先级设置分为高优先级和低优先级，用于设置不同数据帧在发送时是否拥有优先权。

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