CN107317874B - 一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法 - Google Patents

一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，属于飞机综合控制技术领域。所述设计方法包括机载系统高速传输网络的拓扑结构、协议层次、余度配置以及管理机制等内容，采用“点对点接入网+交换式接入网+环形总线接入网”组成的混合拓扑结构实现飞行器管理各子系统之间、模块之间的通信与处理，保证机载系统网络的可靠性和稳定性，满足现代飞机各个传感器、功能单元和子系统功能的实时性要求，以及高速数据处理系统与大量实时数据信息的传输匹配要求，从而通过信息交联达到信息共享、功能综合的目的，进而实现高可靠性的大容量机载数据的高速传输，打破原有机载系统的功能界限，促进机载系统的综合化以及数据、硬件等资源的共用化。

Description

一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法
技术领域
本发明属于飞机综合控制技术领域，具体涉及一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法。
背景技术
现代飞机上的各个电子设备或者子系统(如飞行控制、推力控制、雷达、通信导航、控制显示、武器外挂管理等)都装备了独立的计算机，而这些众多的计算机除了满足各自功能子系统的实时处理之外，还需要进行信息交联以达到功能综合的目的，飞行器管理系统就是在这种背景下应运而生。飞行器管理系统以与飞机飞行能力和机动能力相关的子系统为对象，通过内部通讯把更为广泛的公用子系统组合起来，进行资源动态分配，实现层次更为深入的功能综合以及多种模式的综合控制，在飞行性能、安全性以及可靠性方面均可取得明显的效益。与此同时，飞行器管理系统综合也带来了一些新的问题，一是机载数据要在信号一级实现综合，需要处理的机载数据量急剧增加；二是机载总线上传输的数据不再仅仅是命令和数据，还包括了大量的中间结果数据，这就要求总线应该具有Gb/s的带宽和微秒级的数据延迟。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，采用“统一网络”实现飞行器管理各子系统之间、模块之间的通信乃至处理，以满足现代飞机各个传感器、功能单元和子系统功能的实时性要求，以及高速数据处理系统与大量实时数据信息的传输匹配要求，从而通过信息交联达到信息共享以及功能综合的目的。
本发明机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，主要包括以下步骤：
步骤一、分析机载系统数据传输需求，确定机载系统高速传输网络的拓扑结构，结合机载系统特点设计数据总线网络基本协议；
步骤二、在设计的机载系统数据总线网络基本协议的基础上，设计机载系统网络通信物理接口；
步骤三、针对机载系统的信息网络结构，对网络交换机进行分析设计。
优选的是，所述步骤一中，数据总线网络基本协议包括网络分层结构、各协议层的功能、编码标准、帧格式、网络拓扑及通信传输的过程。
优选的是，所述步骤二中，所述网络通信物理接口的设计包括接口结构、电路实现方式、IP核设计、状态机设计、帧控制流程及IP核仿真验证的设计。
优选的是，所述步骤三中，对网络交换机进行分析设计包括交换机内部结构组成、底层协议、同步设计以及调度模块设计。
优选的是，所述步骤一中，所述确定机载系统高速传输网络的拓扑结构包括：
点对点接入网，包括将大气数据单元、惯性数据单元、飞行控制单元、发动机控制单元以及自动飞行指示仪单元直接接入到数据处理单元上；
交换式接入网，包括将综合显示单元、无线电通信单元、气象雷达单元、告警单元、数据处理单元、传感器、控制面板通过网络交换机实现交互式连接；以及，
环形总线接入网，包括将液压单元、燃油单元、环境控制单元、环境防护单元、供电单元、起落架控制单元以及防火单元汇总后连通至网络交换机。
优选的是，所述交换式接入网还包括与网络交换机连接的多总线网桥，所述多总线网桥用于作为连接其它总线设备的备用交换机。
优选的是，所述点对点接入网内的机载设备相较于交换式接入网内的机载设备传输数据量大且实时性要求高；所述交换式接入网内的机载设备相较于环形总线接入网内的机载设备传输数据量大且实时性要求高。
优选的是，所述步骤二中，机载系统网络通信物理接口主要包括FPGA处理器、SFP模块、配置芯片、DDR存储器和配置存储器，其中，FPGA处理器是用于网络协议处理和固件程序的执行，SFP模块为物理介质收发器，用于光电信号的转换；配置芯片用于存储FPGA芯片的程序文件，DDR存储器用于缓存高速机载数据，配置存储器用于存储默认的网络配置和通信参数。
优选的是，所述步骤三中，交换机的交换方式为直通式，交换网络中采取解析冗余机制，每个交换机采用冗余处理器机制。
本发明采用“点对点接入网+交换式接入网+环形总线接入网”的混合拓扑结构以及双重冗余处理和冗余网络实现飞行器管理各子系统之间、模块之间的通信乃至处理，保证机载网络的可靠性和稳定性，满足现代飞机各个传感器、功能单元和子系统功能的实时性要求，以及高速数据处理系统与大量实时数据信息的传输匹配要求，从而通过信息交联达到信息共享、功能综合的目的，进而实现高可靠性的大容量机载数据的高速传输，打破原有机载系统的功能界限，促进机载系统的综合化以及数据、硬件等资源的共用化。
附图说明
图1为按照本发明机载多拓扑双交换结构的网络设计方法的一优选实施例的多拓扑双交换结构的网络示意图。
图2为本发明图1所示实施例的网络物理接口硬件结构示意图。
图3为本发明图1所示实施例的交换机双余度配置示意图。
其中，1—点对点接入网，2—交换式接入网，3—环形总线接入网，101—大气数据单元，102—惯性数据单元，103—飞行控制单元，104—发动机控制单元，105—自动飞行指示仪单元，201—交换机，202—综合显示单元，203—无线电通信单元，204—气象雷达单元，205—告警单元，206—数据处理单元，207—传感器，208—控制面板，209—多总线网桥，210—其他总线设备，301—液压单元，302—燃油单元，303—环境控制单元，304—环境防护单元，305—供电单元，306—起落架控制单元，307—防火单元。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提出了一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，包括机载系统高速传输网络的拓扑结构、协议层次、余度配置以及管理机制等内容，实现高可靠性的大容量机载数据的高速传输，打破原有机载系统的功能界限，促进机载系统的综合化和数据、硬件等资源的共用化。
具体的，包括以下步骤：
步骤一、分析机载系统数据传输需求，确定机载系统高速传输网络的拓扑结构，结合机载系统特点设计数据总线网络基本协议；
步骤二、在设计的机载系统数据总线网络基本协议的基础上，设计机载系统网络通信物理接口；
步骤三、针对机载系统的信息网络结构，对网络交换机进行分析设计。
本实施例中，所述步骤一中，数据总线网络基本协议包括网络分层结构、各协议层的功能、编码标准、帧格式、网络拓扑及通信传输的过程。在协议设计时要考虑现有各种通信机制的融合、转换和兼容问题，确保机载数据总线具有统一的、完备的、可靠的、高性能的协议规范。
所述步骤二中，所述网络通信物理接口的设计包括接口结构、电路实现方式、IP核设计、状态机设计、帧控制流程及IP核仿真验证的设计。
所述步骤三中，对网络交换机进行分析设计包括交换机内部结构组成、底层协议、同步设计以及调度模块设计。
如图1所示，本发明提供一种由点对点接入网1、交换式接入网2和环形总线接入网3组成的混合拓扑结构，有效避免了复杂布线和资源利用不充分的问题。网络交换机201是整个机载系统数据总线网络的核心。为了避免复杂布线和资源利用不充分的问题，本发明选择使用“点对点接入网1+交换式接入网2+环形总线接入网3”组成的混合拓扑结构。点对点接入网1由大气数据单元101、惯性数据单元102、飞行控制单元103、发动机控制单元104以及自动飞行指示仪单元105组成；交换式接入网2由网络交换机201、综合显示单元202、无线电通信单元203、气象雷达单元204、告警单元205、数据处理单元206、传感器207、控制面板208、多总线网桥209以及其他总线设备210组成；环形总线接入网3由液压单元301、燃油单元302、环境控制单元303、环境防护单元304、供电单元305、起落架控制单元306以及防火单元307组成；设备间使用光纤电缆连接。
点对点接入网1负责将传输数据量大且实时性要求高的重要数据节点(如：大气数据单元101、惯性数据单元102、飞行控制单元103、发动机控制单元104以及自动飞行指示仪单元105)直接接入到数据处理单元206上；交换式接入网2负责将传输数据量较大且实时性要求较高的次重要数据节点(如：综合显示单元202、无线电通信单元203、气象雷达单元204、告警单元205、数据处理单元206、传感器207、控制面板208等)通过网络交换机201连接在一起；环形总线接入网3负责将其他数据节点(如：液压单元301、燃油单元302、环境控制单元303、环境防护单元304、供电单元305、起落架控制单元306以及防火单元307)连入到交换式接入网2中。
图2表示了网络物理接口硬件结构示意，FPGA处理器是整个协议芯片的核心部分，负责实现网络协议处理和固件程序的执行；SFP模块作为物理介质收发器负责光电信号的转换；配置芯片负责存储FPGA芯片的程序文件，由于FPGA是基于SRAM结构的，因此每次上电时都要通过专用的配置芯片加载程序；DDR存储器用作处理器的内存，负责缓存高速机载数据；存储器则用于存储默认的网络配置和通信参数。
图3表示了交换机双余度配置示意，两个交换机经由高速同步链路进行系统特征参数的同步，通过解析冗余关系残差值进行对比分析，建立观测特征，比较观测特征与故障特进而实现故障的检测和隔离。每个交换机采用冗余处理器机制，即每个冗余交换机内有两个处理器同时工作，两个处理器通过信息共享及时了解对方处理器的工作状态，一旦某个处理器发生故障，另一个处理器马上将故障处理器接管控制。这种双重冗余处理和冗余网络可以保证机载网络的可靠性和稳定性需求。
本发明针对未来先进飞机的资源综合和共用需求，采用“点对点接入网+交换式接入网+环形总线接入网”的混合拓扑结构以及双重冗余处理和冗余网络实现飞行器管理各子系统之间、模块之间的通信乃至处理，保证机载网络的可靠性和稳定性。满足现代飞机各个传感器、功能单元和子系统功能的实时性要求，以及高速数据处理系统与大量实时数据信息的传输匹配要求，从而通过信息交联达到信息共享、功能综合的目的，进而实现高可靠性的大容量机载数据的高速传输。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，包括:
步骤一、分析机载系统数据传输需求，确定机载系统高速传输网络的拓扑结构，结合机载系统特点设计数据总线网络基本协议；
步骤二、在设计的机载系统数据总线网络基本协议的基础上，设计机载系统网络通信物理接口；
步骤三、针对机载系统的信息网络结构，对网络交换机进行分析设计；
其中，所述步骤一中，所述确定机载系统高速传输网络的拓扑结构包括：
点对点接入网(1)，包括将大气数据单元(101)、惯性数据单元(102)、飞行控制单元(103)、发动机控制单元(104)以及自动飞行指示仪单元(105)直接接入到数据处理单元(206)上；
交换式接入网(2)，包括将综合显示单元(202)、无线电通信单元(203)、气象雷达单元(204)、告警单元(205)、数据处理单元(206)、传感器(207)、控制面板(208)通过网络交换机(201)实现交互式连接；以及，
环形总线接入网(3)，包括将液压单元(301)、燃油单元(302)、环境控制单元(303)、环境防护单元(304)、供电单元(305)、起落架控制单元(306)以及防火单元(307)汇总后连通至网络交换机(201)。
2.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述步骤一中，数据总线网络基本协议包括网络分层结构、各协议层的功能、编码标准、帧格式、网络拓扑及通信传输的过程。
3.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述步骤二中，所述网络通信物理接口的设计包括接口结构、电路实现方式、IP核设计、状态机设计、帧控制流程及IP核仿真验证的设计。
4.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述步骤三中，对网络交换机进行分析设计包括交换机内部结构组成、底层协议、同步设计以及调度模块设计。
5.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述交换式接入网(2)还包括与网络交换机(201)连接的多总线网桥(209)，所述多总线网桥(209)用于作为连接其它总线设备的备用交换机。
6.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述点对点接入网(1)内的机载设备相较于交换式接入网(2)内的机载设备传输数据量大且实时性要求高；所述交换式接入网(2)内的机载设备相较于环形总线接入网(3)内的机载设备传输数据量大且实时性要求高。
7.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述步骤二中，机载系统网络通信物理接口主要包括FPGA处理器、SFP模块、配置芯片、DDR存储器和配置存储器，其中，FPGA处理器是用于网络协议处理和固件程序的执行，SFP模块为物理介质收发器，用于光电信号的转换；配置芯片用于存储FPGA芯片的程序文件，DDR存储器用于缓存高速机载数据，配置存储器用于存储默认的网络配置和通信参数。
8.如权利要求1所述的机载多拓扑双交换结构的网络设计方法，其特征在于，所述步骤三中，交换机的交换方式为直通式，交换网络中采取解析冗余机制，每个交换机采用冗余处理器机制。
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