CN112073279B - 一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统 - Google Patents

一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，包含端设备和交换机，端设备上的终端协议逻辑包含发送协议处理模块、虚通道并行整形模块、核心调度模块；发送协议模块将应用产生的数据按照约定的应用配置进行打包组成AFDX数据帧输入到虚通道对应的整形缓冲区等待整形调度；虚通道并行整形模块用于将各整形缓冲区上AFDX数据帧按照固定整形调度周期存入调度缓冲区；核心调度模块按照预先设定的帧调度周期从调度缓冲区中将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现每个调度周期只发送一帧。本发明使端设备按照固定的周期定时发送数据，简化系统架构设计。

Description

一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统
技术领域
本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，涉及一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，提供标准AFDX与nanoAFDX组合的分层架构，满足机电和飞控领域的实时性、高效性、安全性和可靠性。
背景技术
由于飞机电子系统中(航电、机电、飞控)各功能域内部的数据通信特性不同，航电领域内任务种类繁多、任务执行周期颗粒度大、任务产生数据量较大、流量负载大，机电和飞控领域内任务相对单一、追求任务执行的实时性高效性、安全性和可靠性。各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，如RS422、232、A429、825、717、ARINC825、1553B、TTP、1394、AFDX等，通信种类多样导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高，电磁环境复杂。为了解决上述问题，通过采用统一协议体制在充分满足当前航电、机电、飞控等各功能域内部的数据通信需求基础上，实现各系统进一步综合需求以及无缝互联，简化系统架构设计。
面向航电、机电、飞控的综合化设计采用标准AFDX与nanoAFDX组合的分层架构的基于AFDX协议的统一网络架构设计，设计兼容通用AFDX网络的nanoAFDX网络通信系统显得至关重要，该nanoAFDX网络通信系统提供交换端口连接应用设备实现各应用设备间的通信，同时提供端口可以级联到实现航电系统通信的标准AFDX网络中，实现跨功能域的统一协议设计。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，由标准AFDX网络通信系统负责航电领域的业务通信，由nanoAFDX网络通信系统完成机电和飞控领域的业务，且可以与标准AFDX网络通信系统互通，充分满足飞机电子系统中(航电、机电、飞控)各功能域内部的数据通信特性、各功能域之间采用统一协议体制进行传输，实现各系统综合需求的无缝互联，简化系统架构设计。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，包含端设备和交换机，端设备上的终端协议逻辑包含发送协议处理模块、虚通道并行整形模块、核心调度模块；
发送协议模块将应用产生的数据按照约定的应用配置进行打包组成AFDX数据帧输入到虚通道对应的整形缓冲区等待整形调度；
虚通道并行整形模块用于将各整形缓冲区上AFDX数据帧按照固定整形调度周期存入调度缓冲区；
核心调度模块按照预先设定的帧调度周期从调度缓冲区中将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现每个调度周期只发送一帧。
优选地，发送协议模块根据应用配置中的通信端口映射出对应UDP端口、IP地址以及基于虚通道的MAC地址，在IP层协议处理过程中禁用IP分片。
优选地，虚通道并行整形模块为每个虚通道开启一个独立的整形定时器，虚通道的整形定时器根据各虚通道预先配置的整形调度周期进行计时，每当整形定时器计时从0到整形调度周期值时，使能一拍调度信号，虚通道并行整形模块调度对应的整形缓冲区的一帧AFDX数据帧到调度缓冲区中；若使能调度信号时，整形缓冲区无数据，则该一拍调度信号置无效，整形定时器计时到整形调度周期值的下一拍自动清零重新计时。
优选地，核心调度模块开启一个调度定时器进行核心调度处理，该调度定时器调度按照帧调度周期值进行周期超时调度，即调度定时器从0计时到帧调度周期值，调度定时器计时超时使能调度信号，核心调度模块的调度缓冲区有数据即可启动调度状态机完成数据帧发送，清除调度使能信号，并将调度定时器的计时值清为0，重新启动计时；核心调度模块的调度缓冲区无数据，则不启动调度状态机，清除调度使能信号，并将定时器的计时值清为0，重新启动计时。
进一步，终端协议逻辑还包含分路接收处理模块：通过MAC层的接收状态机将从物理层接收的数字信息组成数据帧，将数据帧按照AFDX帧完整性和符合性规则进行校验，采用数据分路机制，一路进入到记录处理模块中为每个数据帧添加本地设备的时间戳进行全网络系统的记录；一路进入到接收协议处理模块，根据配置的通信端口以及对应的虚通道进行接收匹配校验，是由对应通信端口上的虚通道发送的数据则正常接收，去除协议信息后数据给到应用处理，非本端设备对应的虚通道和端口的数据将被丢弃。
进一步，交换机的交换逻辑包含并行接收处理模块、核心调度模块、转发输出模块；
并行接收处理模块对接收到的AFDX数据帧进行通信规则符合性校验，校验通过的AFDX数据帧存在各个交换端口的双口缓冲区，并将该AFDX数据帧的帧长度、接收端口的双口缓冲地址信息组织为一个帧元素输入到中心式的转发管理队列中等待统一转发调度；其中，转发管理队列针对每个交换端口设有一个存储空间，每个存储空间存放对应交换端口的一帧帧元素；
核心调度模块对中心式的转发管理队列的存储空间进行轮询，若存储空间存在有效帧元素以及交换端口的调度信息队列非满，则提取帧信息写入交换端口的调度信息队列，核心调度模块指向下一个存储空间；若0号存储空间存在有效帧元素，但交换端口的调度信息队列满，则等待交换端口的调度信息队列的帧调度输出后再提取帧元素写入交换端口的调度信息队列；若存储空间不存在有效帧元素，则核心调度模块指向下一个存储空间；
转发输出模块并行的处理各个交换端口的调度信息队列的转发数据帧，并发判断各个交换端口的调度信息队列有数据帧同时交换端口的MAC传输模块空闲，则从调度信息队列输出一帧帧元素，根据帧元素从双口缓存中按照对应的数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC缓冲区由物理层硬件电路发送到物理链路。
优选地，为每个交换端口的调度信息队列按不小于两帧存储能力设计。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统只保留AFDX交换架构下的物理形态，nanoAFDX网络通信系统采用总线通信方式实现通信传输，其交换机是一个广播转发设备，端设备按照固定的周期定时发送数据，虽然简化的AFDX协议，但对机电和飞控领域的业务来说提高数据通信的时间确定性、实时性、可靠性和安全性，同时支持事件类型消息传输，满足不同实时性要求等级的应用场合。该发明极大的丰富了用户对于基于时间触发架构下的航空机载总线选型、推动航空总线一体化的手段环节的方法。同时该发明的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。
附图说明
图1为兼容通用AFDX网络的nanoAFDX网络通信系统的应用示意。
图2为兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统的硬件结构示意图。
图3为兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统的逻辑结构示意图。
图4为交换机的交换逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
针对原飞机电子系统各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高的问题，本实施例提供了一种兼容通用AFDX网络的nanoAFDX网络通信系统，参见图1所示，由标准AFDX网络通信系统负责航电领域的业务通信，由nanoAFDX网络通信系统负责机电和飞控领域的业务通信，从而使各功能域之间采用统一协议体制进行传输，实现各功能域的需求的无缝互联，简化系统架构设计。
如图2所示，兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统包括端设备、交换机以及外围的存储器硬件和通信物理层接口硬件。可采用的物理设计形态如下：
Figure BDA0002652934350000051
基于标准形态的nanoAFDX网络通信系统：端设备采用处理器或者DSP，交换机采用FPGA实现。
Figure BDA0002652934350000052
基于小型化形态的nanoAFDX网络通信系统：由FPGA实现交换机的功能，同时FPGA内开MicroBlaze实现配置和加载以及端设备上的简单应用(该方式应用集成困难，通用型和可扩展性差)。
Figure BDA0002652934350000053
用SOC实现nanoAFDX网络通信系统，其中SOC芯片内部的FPGA实现交换机的交换逻辑和端设备的终端协议逻辑，交换机的交换逻辑和终端的协议逻辑采用双口通信，SOC中处理器驻留端设备的应用和通信配置功能。
Figure BDA0002652934350000061
采用独立处理器+FPGA实现nanoAFDX网络通信系统，处理器完成与终端协议逻辑无关的管理工作，如应用和通信配置，FPGA实现交换机的交换逻辑和和端设备的终端协议逻辑。
见图3所示，端设备上的终端协议逻辑分为发送协议处理模块、虚通道并行整形模块、核心调度模块、分路接收处理模块。
Figure BDA0002652934350000062
发送协议模块将通信应用模块上的应用产生的数据按照约定的应用配置进行打包组成AFDX数据帧输入到虚通道对应的整形缓冲区等待整形调度。应用配置是面向通信端口的，发送协议模块根据通信端口映射出对应UDP端口、IP地址以及基于虚通道的MAC地址。其中，为了简化标准的协议栈，在IP层协议处理过程中禁用IP分片，以减少协议栈逻辑代码量，从而减少了协议栈代码执行技术时延，提高了代码执行效率，减少了缓存资源。
Figure BDA0002652934350000063
虚通道并行整形模块用于将各整形缓冲区上AFDX数据帧按照固定整形调度周期存入调度缓冲区。虚通道并行整形模块为每个虚通道开启一个独立的整形定时器，虚通道的整形定时器根据各虚通道预先配置的整形调度周期进行计时，每当整形定时器计时从0到整形调度周期值时，使能一拍调度信号，虚通道并行整形模块调度对应的整形缓冲区的一帧AFDX数据帧到调度缓冲区中；若使能调度信号时，整形缓冲区无数据，则该一拍调度信号置无效，整形定时器计时到整形调度周期值的下一拍自动清零重新计时。不同的虚通道完成整形调度后输出的数据帧一般按时间先后顺序排列进入到调度缓冲区；但由于虚通道整形是并行的，也可能存在不同虚通道同时完成整形调度，此时根据虚通道索引号先后排列顺序进入调度缓冲区。
Figure BDA0002652934350000064
核心调度模块按照预先设定的帧调度周期从调度缓冲区中将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现整个端设备在满负载通信情况下，每个调度周期只发送一帧(而不是采用标准AFDX的不同虚通道的帧并发调度)。具体设计如下：核心调度模块开启一个调度定时器进行核心调度处理，该调度定时器调度按照系统规定的帧调度周期值进行严格周期超时调度，即调度定时器从0计时到帧调度周期值，调度定时器计时超时使能调度信号，核心调度模块的调度缓冲区有数据即可启动调度状态机完成数据帧发送，清除调度使能信号，并将调度定时器的计时值清为0，重新启动计时；核心调度模块的调度缓冲区无数据，则不启动调度状态机，清除调度使能信号，并将定时器的计时值清为0，重新启动计时。
Figure BDA0002652934350000071
分路接收处理模块：通过MAC层的接收状态机将从物理层接收的数字信息组成数据帧，将数据帧按照AFDX帧完整性和符合性规则进行校验，采用数据分路机制，一路进入到记录处理模块中为每个数据帧添加本地设备的时间戳进行全网络系统的记录；一路进入到接收协议处理模块，根据配置的通信端口以及对应的虚通道进行接收匹配校验，是由对应通信端口上的虚通道发送的数据则正常接收，去除协议信息后数据给到应用处理，非本端设备对应的虚通道和端口的数据将被丢弃。
见图4所示，nanoAFDX网络通信系统中的交换机的交换逻辑分为并行接收处理模块、核心调度模块、转发输出模块，实现无配置(标准AFDX转发需要大量配置)、无自学习模式(以太网自学习交换路由)下的确定性交换转发。
Figure BDA0002652934350000072
并行接收处理模块对交换端口的物理层硬件电路从物理链路上RMII(10M、100M)/SGMII(1000M)接收的网络信号经过交换机FPGA电路的IP核转换为8位并行的数据帧信号，对接收到的AFDX数据帧进行通信规则符合性校验，校验通过的AFDX数据帧存在各个交换端口的双口缓冲区，并将该AFDX数据帧的转发信息(帧长度、接收端口的双口缓冲地址信息)组织为一个帧元素输入到中心式的转发管理队列中等待统一转发调度。其中，该中心式的转发管理队列的帧元素按照交换端口的标号排列(交换机对交换端口进行顺序标号，端设备与交换机之间交联的交换端口标记为0，其它对外转发的交换端口依次标号为1～23号端口)，该转发管理队列包含24个存储空间，存储空间的索引号0～23对应存放来自0～23标号的交换端口的帧元素，每个存储空间存放对应交换端口的一帧帧元素，即每次完整的交换轮询调度只能最多完成每个交换端口的单帧转发传输。
Figure BDA0002652934350000081
通过基于交换机的核心调度模块进行交换机的交换转发功能的核心轮询调度，核心调度模块将从中心式的转发管理队列的0号存储空间开始调度，若0号存储空间存在有效帧元素以及交换端口的调度信息队列非满，则提取帧信息写入24个交换端口的调度信息队列(实现单帧广播式转发)，核心调度模块指向下一个存储空间；若0号存储空间存在有效帧元素，但交换端口的调度信息队列满，则等待转发端口的调度信息队列的帧调度输出后再提取帧元素写入24个转发端口的调度信息队列；若0号存储空间不存在有效数据帧信息，则核心调度模块指向下一个存储空间；按上述模式完成整个中心式的转发管理队列的24个存储空间的调度处理，最后核心调度模块重新指向0号存储空间。每个交换端口的调度信息队列按不小于两帧存储能力设计，可保障前后两帧按照背靠背全线速调度传输。
Figure BDA0002652934350000082
转发输出模块并行的处理各个交换端口的调度信息队列的转发数据帧，并发判断各个交换端口的调度信息队列有数据帧同时交换端口的MAC传输模块空闲，则从调度信息队列输出一帧帧元素，根据帧元素从双口缓存中按照对应的数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC缓冲区由物理层硬件电路发送到物理链路。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，包含端设备和交换机，其特征在于端设备上的终端协议逻辑包含发送协议处理模块、虚通道并行整形模块、核心调度模块；
发送协议模块将应用产生的数据按照约定的应用配置进行打包组成AFDX数据帧输入到虚通道对应的整形缓冲区等待整形调度；
虚通道并行整形模块用于将各整形缓冲区上AFDX数据帧按照固定整形调度周期存入调度缓冲区；虚通道并行整形模块为每个虚通道开启一个独立的整形定时器，虚通道的整形定时器根据各虚通道预先配置的整形调度周期进行计时，每当整形定时器计时从0到整形调度周期值时，使能一拍调度信号，虚通道并行整形模块调度对应的整形缓冲区的一帧AFDX数据帧到调度缓冲区中；若使能调度信号时，整形缓冲区无数据，则该一拍调度信号置无效，整形定时器计时到整形调度周期值的下一拍自动清零重新计时；
核心调度模块按照预先设定的帧调度周期从调度缓冲区中将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现每个调度周期只发送一帧。
2.根据权利要求1所述一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，其特征在于发送协议模块根据应用配置中的通信端口映射出对应UDP端口、IP地址以及基于虚通道的MAC地址，在IP层协议处理过程中禁用IP分片。
3.根据权利要求1所述一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，其特征在于核心调度模块开启一个调度定时器进行核心调度处理，该调度定时器调度按照帧调度周期值进行周期超时调度，即调度定时器从0计时到帧调度周期值，调度定时器计时超时使能调度信号，核心调度模块的调度缓冲区有数据即可启动调度状态机完成数据帧发送，清除调度使能信号，并将调度定时器的计时值清为0，重新启动计时；核心调度模块的调度缓冲区无数据，则不启动调度状态机，清除调度使能信号，并将定时器的计时值清为0，重新启动计时。
4.根据权利要求1所述一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，其特征在于端设备上的终端协议逻辑还包含分路接收处理模块：通过MAC层的接收状态机将从物理层接收的数字信息组成数据帧，将数据帧按照AFDX帧完整性和符合性规则进行校验，采用数据分路机制，一路进入到记录处理模块中为每个数据帧添加本地设备的时间戳进行全网络系统的记录；一路进入到接收协议处理模块，根据配置的通信端口以及对应的虚通道进行接收匹配校验，是由对应通信端口上的虚通道发送的数据则正常接收，去除协议信息后数据给到应用处理，非本端设备对应的虚通道和端口的数据将被丢弃。
5.根据权利要求1所述一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，其特征在于为交换机的交换逻辑包含并行接收处理模块、核心调度模块、转发输出模块；
并行接收处理模块对接收到的AFDX数据帧进行通信规则符合性校验，校验通过的AFDX数据帧存在各个交换端口的双口缓冲区，并将该AFDX数据帧的帧长度、接收端口的双口缓冲地址信息组织为一个帧元素输入到中心式的转发管理队列中等待统一转发调度；其中，转发管理队列针对每个交换端口设有一个存储空间，每个存储空间存放对应交换端口的一帧帧元素；
核心调度模块对中心式的转发管理队列的存储空间进行轮询，若存储空间存在有效帧元素以及交换端口的调度信息队列非满，则提取帧信息写入交换端口的调度信息队列，核心调度模块指向下一个存储空间；若存储空间存在有效帧元素，但交换端口的调度信息队列满，则等待交换端口的调度信息队列的帧调度输出后再提取帧元素写入交换端口的调度信息队列；若存储空间不存在有效帧元素，则核心调度模块指向下一个存储空间；
转发输出模块并行的处理各个交换端口的调度信息队列的转发数据帧，并发判断各个交换端口的调度信息队列有数据帧同时交换端口的MAC传输模块空闲，则从调度信息队列输出一帧帧元素，根据帧元素从双口缓存中按照对应的数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC缓冲区由物理层硬件电路发送到物理链路。
6.根据权利要求5所述一种兼容通用AFDX的nanoAFDX网络通信系统，特征在于为每个交换端口的调度信息队列按不小于两帧存储能力设计。
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