CN111884891B - 一种用于运载火箭的以太网总线系统 - Google Patents

一种用于运载火箭的以太网总线系统 Download PDF

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Abstract

一种用于运载火箭的以太网总线系统，包括遥测模块、数据判读与表决模块、时间同步器、若干传感器、互为热备份的A以太网总线和B以太网总线。时间同步器用来保证A、B以太网总线的时间同步性。A以太网总线和B以太网总线的总线终端与传感器连接，按照固定周期采集传感器的数据，将数据以及采集时间信息存储在数据缓存区；A以太网总线和B以太网总线分别把采集的数据编成遥测数据帧，发送至数据判读与表决模块；数据判读与表决模块对两组遥测数据帧进行判读，把无异常的遥测数据帧上传至遥测模块；遥测模块把接收到的遥测数据帧调制后发送至地面接收设备。本发明能够保证时间同步性和实时性，同时提高了系统可靠性，满足运载火箭的使用要求。

Description

一种用于运载火箭的以太网总线系统
技术领域
本发明涉及一种用于运载火箭的以太网总线系统，属于航天器电气系统设计领域。
背景技术
随着新一代运载火箭对于故障诊断、智能飞行、全箭信息融合和商业化的需求，越来越多的复杂电子设备将得到应用。现役火箭型号中，箭载系统的数据交互主要采用1553B和RS-422总线，通信速率较低、可挂载的终端节点数较少，无法满足新一代箭载大数据量传输的需求。
目前所用的箭载设备多采用嵌入式系统，处理器资源有限，并且航天产品对产品的可靠性具有严格要求，因此亟需一种针对箭载应用的资源消耗少、高带宽、高可靠性的数据交互平台。
以太网作为一项成熟、低成本技术，几乎支持所有的网络协议，目前通信速率已达到100Mbps、1Gbps、10Gbps的标准。以太网具有超时与重传机制、奇偶校验、拥塞避免等机制保证可靠性和低误码率，可应用于嵌入式系统，处理器资源占用率少，具有很强的通用性。以太网的上述特点使得以太网广泛应用于工业领域，并逐步应用于航空电子领域，但尚未涉及到运载火箭。同时，以太网的重传机制导致实时性差和不确定性，同时并未考虑到节点和交换机故障后的网络性能保障问题，不提供延时和同步性的保证。而运载火箭的飞行环境恶劣，因此，传统的以太网总线在可靠性和同步性方面尚不能满足运载火箭的使用要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于运载火箭的以太网总线系统，能够保证时间同步性和实时性，同时提高了系统可靠性，满足运载火箭的使用要求。
本发明的技术解决方案是：
一种用于运载火箭的以太网总线系统，包括一个遥测模块、一个数据判读与表决模块、一个时间同步器、若干传感器、A以太网总线和B以太网总线，A以太网总线和B以太网总线组成相同且互为热备份；
时间同步器用来保证A以太网总线和B以太网总线的时间同步性；
A以太网总线和B以太网总线的总线终端与传感器连接，总线终端按照固定周期采集传感器的数据，将采集的传感器数据以及采集时的时间信息以栈的方式存储在数据缓存区；
A以太网总线和B以太网总线分别把采集的传感器数据根据遥测需要编成遥测数据帧，发送至数据判读与表决模块；
数据判读与表决模块对来自A以太网总线和B以太网总线的遥测数据帧进行判读，把无异常的遥测数据帧上传至遥测模块；
遥测模块把接收到的遥测数据帧调制后发送至地面接收设备。
A以太网总线和B以太网总线组成相同，均包括一个总线控制器、一个总线交换机、若干总线终端；
对于A以太网总线或B以太网总线，总线控制器采用千兆以太网接口通过总线交换机和所有总线终端相连；总线终端采用嵌入式系统，并根据需要采用百兆或千兆以太网接口，每个总线终端都有单独的IP地址和端口号，总线控制器通过总线交换机根据IP地址和端口号向总线终端发送读取指令；
总线终端在收到总线控制器的读取指令后，解析出读取指令中包含的时间段信息，把所述时间段内采集的传感器数据和首尾传感器数据的采集时间信息编成数据帧，通过总线交换机发送给总线控制器；总线控制器根据遥测需要将接收的数据帧编成遥测数据帧，发送至数据判读与表决模块。
总线控制器能够同时接收若干个总线终端的数据帧。
A以太网总线和B以太网总线的总线终端与传感器采用有线或无线的方式相连，传感器和总线终端的连接方式包括一对一连接、一对多连接和多对一连接。
记A以太网总线的总线控制器为A总线控制器，B以太网总线的总线控制器为B总线控制器；
A总线控制器和B总线控制器同时与时间同步器相连，时间同步器每隔1ms向A总线控制器和B总线控制器同时发送时间同步信号，A总线控制器和B总线控制器根据时间同步信号包含的脉冲和时间计数信息对自身时间进行校准；
校准完成后，A总线控制器每隔1ms向A以太网总线的各个总线终端同时发送时间同步信号，A以太网总线的各个总线终端根据接收的时间同步信号和以太网传输延迟对自身时间进行校准；
B总线控制器每隔1ms向B以太网总线的各个总线终端同时发送时间同步信号，B以太网总线的各个总线终端根据接收的时间同步信号和以太网传输延迟对自身时间进行校准。
数据判读与表决模块的实现方法如下：
(S1)判读来自A以太网总线的遥测数据帧，无异常时进入步骤(S2)，否则进入步骤(S3)；
(S2)把来自A以太网总线的遥测数据帧上传到遥测模块，并继续判读来自B以太网总线的遥测数据帧，B以太网总线的遥测数据帧异常时启动异常机制，B以太网总线的遥测数据帧无异常时丢弃B以太网总线的遥测数据帧；
(S3)继续判读来自B以太网总线的遥测数据帧，无异常时把B以太网总线的遥测数据帧上传到遥测模块并启动异常机制，当B以太网总线的遥测数据帧异常时丢弃A、B以太网总线的异常遥测数据帧，并启动异常重传机制。
启动异常机制时，以太网总线系统向其他系统报告异常，以太网总线系统仍能继续工作并继续上传遥测数据帧至遥测模块，数据判读时优先判读无异常以太网总线的遥测数据帧，继续监测异常以太网总线的后续遥测数据帧是否正常。
启动异常重传机制时，以太网总线系统向其他系统报告异常，在系统修复、后续遥测数据帧正常前，遥测数据帧不上传至遥测模块。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明设置时间同步器用于全局时钟同步，保证了系统的时间同步性。
(2)本发明设计的以太网总线系统采用双冗余数据判读机制和异常机制，可以有效避免因单一以太网总线数据传输异常而降低总线的实时性。并且双冗余、热备份的方式有效的提高了系统可靠性，增加数据判读和表决等模块使得本发明更满足运载火箭的使用要求。
(3)本发明的以太网总线系统在保证了时间同步性和实时性的基础上，可以提高现有火箭总线的传输速率和可扩展节点数。
附图说明
图1为本发明以太网总线系统连接示意图；
图2为本发明的功能流程图；
图3为以太网总线传输时序图。
具体实施方式
本发明提出了一种支持运载火箭大数据量传输的以太网总线系统，保证以太网总线系统可以为运载火箭提供高速、高可靠性和高同步性的数据通讯服务。
本发明提供了一种用于运载火箭的以太网总线系统，该系统包括一个遥测模块、一个数据判读与表决模块、一个时间同步器、若干传感器和两个完全相同互为热备份的A、B以太网总线。
图1给出了本发明以太网总线系统的连接关系图，本发明采用热备份、双冗余以太网总线，并增加时间同步器、数据判读与表决模块和遥测模块，组成基本的用于运载火箭的以太网总线系统。
A、B以太网总线完全相同，均包括一个总线控制器、一个总线交换机、若干总线终端，以星形拓扑结构的方式连接。总线控制器是整个系统的计算中心，在每个以太网总线中，总线控制器采用千兆以太网接口通过交换机和所有总线终端相连。总线终端采用嵌入式系统，根据需要采用百兆或千兆以太网接口。每个总线终端都有单独的IP地址和端口号，总线控制器通过总线交换机根据IP地址和端口号向总线终端发送读取指令，并接收来自总线终端的数据帧。
传感器直接和总线终端相连，根据需要采用有线连接和无线连接的方式。传感器同时与A、B以太网总线的总线终端相连，传感器和总线终端的连接方式包括一对一连接、一对多连接和多对一连接。
总线终端按照固定周期采集传感器的数据，将采集的传感器数据以及采集时的时间信息以栈的方式存储在数据缓存区。
总线控制器通过总线交换机向总线终端发送读取指令，总线终端在收到总线控制器的读取指令后，解析出读取指令中包含的时间段信息，把该时间段内采集的传感器数据和首尾传感器数据的采集时间信息编成数据帧，通过总线交换机发送给总线控制器，总线控制器根据遥测需要将接收的数据帧编成遥测数据帧，发送至数据判读与表决模块。总线控制器可同时接收若干个总线终端的数据帧。
时间同步器用来保证A、B以太网总线的时间同步性。
为表述清楚，记A以太网总线的总线控制器为A总线控制器，B以太网总线的总线控制器为B总线控制器。
A总线控制器和B总线控制器同时与时间同步器相连，时间同步器每隔1ms向A总线控制器和B总线控制器同时发送时间同步信号，A总线控制器和B总线控制器根据时间同步信号包含的脉冲和时间计数信息对自身时间进行校准。
校准完成后，A总线控制器每隔1ms向A以太网总线的各个总线终端同时发送时间同步信号，A以太网总线的各个总线终端根据接收的时间同步信号和以太网传输延迟对自身时间进行校准；
B总线控制器每隔1ms向B以太网总线的各个总线终端同时发送时间同步信号，B以太网总线的各个总线终端根据接收的时间同步信号和以太网传输延迟对自身时间进行校准。
A总线控制器和B总线控制器均与数据判读与表决模块相连。总线控制器把接收到的数据帧根据遥测需要编成遥测数据帧，并发送至数据判读与表决模块。数据判读与表决模块判读两组遥测数据帧，把无异常的遥测数据帧上传至遥测模块。遥测模块接收数据判读与表决模块上传的遥测数据帧，并把接收到的遥测数据帧调制后发送至地面接收设备。
图2给出了以太网总线系统的功能流程图。
以太网总线系统的工作过程具体描述如下：
(1)A以太网总线和B以太网总线初始化；
(2)总线控制器执行触发的任务，向总线终端发送读取指令，总线终端响应读取指令，把读取指令中指定时间段内采集的传感器数据和首尾传感器数据的采集时间信息编成数据帧，通过总线交换机发送给总线控制器；
(3)总线控制器判断是否成功接收数据帧，若成功接收，则总线控制器将接收的数据帧按需求转化为遥测数据帧，上传至数据判读与表决模块，然后进入步骤(4)；若未成功接收，则返回步骤(2)；
(4)数据判读与表决模块先判读来自A以太网总线的遥测数据帧，遥测数据帧无异常时进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；
(5)把来自A以太网总线的遥测数据帧上传到遥测模块，并继续判读来自B以太网总线的遥测数据帧，B以太网总线的遥测数据帧异常时启动异常机制，B以太网总线的遥测数据帧无异常时丢弃B以太网总线的遥测数据帧；
(6)继续判读来自B以太网总线的遥测数据帧，无异常时把B以太网总线的遥测数据帧上传到遥测模块并启动异常机制，当B以太网总线的遥测数据帧异常时丢弃A、B以太网总线的异常遥测数据帧，并启动异常重传机制。
在不启动异常机制和异常重传机制时，数据判读和表决以A以太网总线的遥测数据帧为主。在启动异常机制时以太网总线系统向其他系统报告异常，以太网总线系统仍能继续工作并继续上传遥测数据帧至遥测模块，数据判读时优先判读无异常以太网总线的遥测数据帧，继续监测异常以太网总线的后续遥测数据帧是否正常。
启动异常重传机制时以太网总线系统向其他系统报告异常，在系统修复、后续遥测数据帧正常前，遥测数据帧不上传至遥测模块。
图3给出了以太网总线传输时序图。A、B以太网总线的总线控制器经过同步时钟信号同步，两个总线控制器程序运行状态相同。A以太网总线中，总线控制器数据传输任务在使能信号(EN)高电平状态且时钟CLK_A上升沿触发，向指定总线终端发送数据读取指令(CMD_A)，指令的转发由总线交换机完成；总线终端接收到读取指令后开始回传数据，经过一定的传输延时(Delay)以后完成传输。默认情况下，遥测模块以A以太网总线的数据为准，一旦检测到A以太网总线数据出现异常或线路断开，则自动转换为以B以太网总线数据为准。其中A、B以太网总线的传输延时不完全一致，由于以太网传输延时在几十微妙，传输延时误差在毫秒级采样频率的遥测数据不做考虑。
整个以太网总线系统的传感器数据采集时序则完全依照遥测数据帧排布的要求。
本发明通过时间同步器保证了系统的时间同步性。通过设计双冗余数据判读机制和异常机制，可以有效避免因单一以太网总线数据传输异常而降低总线的实时性。并且双冗余、热备份的方式有效的提高系统可靠性，增加数据判读和表决等模块使得本发明更满足运载火箭的使用要求。同时本发明在保证了时间同步性和实时性的基础上，可以提高现有火箭总线的传输速率和可扩展节点数。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：包括一个遥测模块、一个数据判读与表决模块、一个时间同步器、若干传感器、A以太网总线和B以太网总线，A以太网总线和B以太网总线组成相同且互为热备份；
时间同步器用来保证A以太网总线和B以太网总线的时间同步性；
A以太网总线和B以太网总线的总线终端与传感器连接，总线终端按照固定周期采集传感器的数据，将采集的传感器数据以及采集时的时间信息以栈的方式存储在数据缓存区；
A以太网总线和B以太网总线分别把采集的传感器数据根据遥测需要编成遥测数据帧，发送至数据判读与表决模块；
数据判读与表决模块对来自A以太网总线和B以太网总线的遥测数据帧进行判读，把无异常的遥测数据帧上传至遥测模块；
遥测模块把接收到的遥测数据帧调制后发送至地面接收设备；
A以太网总线和B以太网总线组成相同，均包括一个总线控制器、一个总线交换机、若干总线终端；
对于A以太网总线或B以太网总线，总线控制器采用千兆以太网接口通过总线交换机和所有总线终端相连；总线终端采用嵌入式系统，并根据需要采用百兆或千兆以太网接口，每个总线终端都有单独的IP地址和端口号，总线控制器通过总线交换机根据IP地址和端口号向总线终端发送读取指令；
总线终端在收到总线控制器的读取指令后，解析出读取指令中包含的时间段信息，把所述时间段内采集的传感器数据和首尾传感器数据的采集时间信息编成数据帧，通过总线交换机发送给总线控制器；总线控制器根据遥测需要将接收的数据帧编成遥测数据帧，发送至数据判读与表决模块。
2.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：总线控制器能够同时接收若干个总线终端的数据帧。
3.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：A以太网总线和B以太网总线的总线终端与传感器采用有线或无线的方式相连，传感器和总线终端的连接方式包括一对一连接、一对多连接和多对一连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：记A以太网总线的总线控制器为A总线控制器，B以太网总线的总线控制器为B总线控制器；
A总线控制器和B总线控制器同时与时间同步器相连，时间同步器每隔1ms向A总线控制器和B总线控制器同时发送时间同步信号，A总线控制器和B总线控制器根据时间同步信号包含的脉冲和时间计数信息对自身时间进行校准；
校准完成后，A总线控制器每隔1ms向A以太网总线的各个总线终端同时发送时间同步信号，A以太网总线的各个总线终端根据接收的时间同步信号和以太网传输延迟对自身时间进行校准；
B总线控制器每隔1ms向B以太网总线的各个总线终端同时发送时间同步信号，B以太网总线的各个总线终端根据接收的时间同步信号和以太网传输延迟对自身时间进行校准。
5.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：数据判读与表决模块的实现方法如下：
(S1)判读来自A以太网总线的遥测数据帧，无异常时进入步骤(S2)，否则进入步骤(S3)；
(S2)把来自A以太网总线的遥测数据帧上传到遥测模块，并继续判读来自B以太网总线的遥测数据帧，B以太网总线的遥测数据帧异常时启动异常机制，B以太网总线的遥测数据帧无异常时丢弃B以太网总线的遥测数据帧；
(S3)继续判读来自B以太网总线的遥测数据帧，无异常时把B以太网总线的遥测数据帧上传到遥测模块并启动异常机制，当B以太网总线的遥测数据帧异常时丢弃A、B以太网总线的异常遥测数据帧，并启动异常重传机制。
6.根据权利要求5所述的一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：启动异常机制时，以太网总线系统向其他系统报告异常，以太网总线系统仍能继续工作并继续上传遥测数据帧至遥测模块，数据判读时优先判读无异常以太网总线的遥测数据帧，继续监测异常以太网总线的后续遥测数据帧是否正常。
7.根据权利要求5所述的一种用于运载火箭的以太网总线系统，其特征在于：启动异常重传机制时，以太网总线系统向其他系统报告异常，在系统修复、后续遥测数据帧正常前，遥测数据帧不上传至遥测模块。
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