CN112073981B - 一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统 - Google Patents

一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，通过在作为主时钟的端设备上的主时钟设备同步有效性维护模块、作为从时钟的端设备上的从时钟设备同步有效性维护模块和交换机上的交换机同步有效性维护模块建立同步，当端设备和交换机都在同步状态下，端设备和交换机按uTTE通信模式通信；当端设备和交换机都在非同步状态下，端设备和交换机按uAFDX通信模式。本发明可在一定程度上提高数据通信的时间确定性、实时性、可靠性和安全性，满足实时性要求等级高的应用场合。

Description

一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统
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，涉及一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，以实现时间触发通信架构或者定时调度通信方式下以太网的高实时性和高确定性通信。
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、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。
同时上述提起的几种主流的航空机载总线网络，由于采用基于事件触发通信机制，网络的端系统随时接入通信，有消息即可发送，不可避免的造成传输竞争，给端到端数据流传输带来不可控的延时和抖动，无法满足新型的航空电子系统对不同时间关键性和安全性相关的分布式通信应用的需求。时间触发以太网(TTE)属于时间触发架构下的新一代航空机载总线，在引入了时钟同步机制的基础上建立了全局的网络同步时钟，通过确定性的时间触发通信机制保证无竞争的TT帧通信，极大提高了网络通信的时间确定性和实时性；同时支持事件触发通信帧的传输，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。
面向航电、机电、飞控的综合化设计采用标准TTE与uTTE组合的分层架构的基于TTE协议的统一网络架构设计，设计兼容通用TTE网络的uTTE(精简TTE)网络通信交换模块显得至关重要，该交换模块为uTTE网络系统提供交换端口连接应用设备实现各设备间的通信，同时提供端口可以级联到实现航电系统通信的标准TTE网络中，实现跨功能域的统一协议设计，同时uAFDX作为uTTE网络兼容的一种通信方式，当uTTE网络系统同步失效后，所有的应用数据流将按照uAFDX通信模式实现端到端的用户数据搬运，保留了系统通信的确定性。
发明内容
针对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，本发明的发明目的在于提供一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统,在网络系统同步状态下运行uTTE通信模式，在网络系统丢失同步下切换到uAFDX通信模式。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，在作为主时钟的端设备上设有主时钟设备同步有效性维护模块，在作为从时钟的端设备上设从时钟设备同步有效性维护模块，在交换机上设有交换机同步有效性维护模块；
主时钟设备同步有效性维护模块通过将自身晶振维护的时间和外部全局时间进行对比，判断自身晶振运行的合理性，若在合理的运行范围内，则该主时钟设备同步有效性维护模块将周期性的维护自身同步使能状态，按基于统一时基基础下uTTE系统定义的TDMA周期向网络系统广播同步帧；否则判断自身同步失效将同步使能置无效使得系统同步丢失，不再周期性向网络系统广播同步帧；
从时钟设备同步维护模块在每个TDMA周期检测网络系统中交互的同步帧，若在TDMA周期内接收到有效同步帧，将按基于统一时基基础下的周期维护自身同步使能状态，并告知交换机处于有效同步状态；当从时钟设备同步维护模块判断自身同步失效将同步使能置无效，通知交换机丢失了有效同步状态并重新建立同步状态；
交换机同步有效性维护模块在每个TDMA周期检测网络系统中交互的同步帧，若在TDMA周期内接收到有效同步帧，将按基于统一时基基础下的TDMA周期维护自身同步使能状态，并告知端设备处于有效同步状态；当交换装置同步有效性维护模块判断自身同步失效将同步使能置无效，通知端设备丢失了有效同步状态并重新建立同步状态；
当端设备和交换机都在同步状态下，端设备和交换机按uTTE通信模式通信；
当端设备和交换机都在非同步状态下，端设备和交换机按uAFDX通信模式通信。
进一步，交换机已经同步，部分端设备未同步时，交换机按uTTE模式进行通信,在“基于统一时基基础计时下的TDMA周期”的调度下从已同步端设备的对应的端口接收数据，未同步的端设备发送数据被过滤掉。
进一步，交换机没建立同步时，交换机按照uAFDX模式进行调度，进入同步状态的端设备禁用接收端的时间门控感知功能，避免接收端有效数据过滤。
进一步，端设备上还设有端设备配置切换模块、端设备调度切换模块、端设备接收切换模块，交换机上还设有交换装置配置切换模块、交换装置调度切换模块；
端设备配置切换模块在端设备处于同步状态时，按基于统一时基基础下uTTE系统定义的TDMA周期进行计时，当计时到该端设备分配的发送时隙时向端设备调度切换模块提供发送信号，当计时到该端设备分配的接收时隙时向端设备接收切换模块提供接收信号；处于非同步状态时，在基于本地无同步时基基础上将uTTE系统定义的TDMA周期作为发送调度周期进行计时，每个发送调度周期计时满时则向端设备调度切换模块提供发送信号；
端设备调度切换模块在接收到端设备配置切换模块发送的发送信号时将接收端口上的数据帧发送出去；
交换装置配置切换模块在交换机处于同步状态下，按基于统一时基基础的uTTE系统定义的TDMA周期进行计时，在计时到各输入端口在TDMA周期上的输入时隙时向交换装置调度切换模块提供调度信号，在计时到各输出端口TDMA周期的输出时隙时向交换装置调度切换模块提供转发信号；在非同步状态下，按基于本地无同步时基基础上无时隙概念的TDMA周期计时，在TDMA周期计时满时向交换装置调度切换模块提供调度信号；
交换装置调度切换模块在交换机处于同步状态下，交换装置调度切换模块接收到调度信号后，从对应端口上接收数据帧，通过通用的以太网完整性校验后存入到接收端口缓冲区，在接收到转发信号后，从对应端口的接收端口缓冲区中取出数据帧进行转发；在非同步状态下，交换装置调度切换模块接收到调度信号后对各接收端口进行轮询，若接收端口中有数据帧则复制到转发端口进行输出，每个转发端口输出一帧；
端设备接收切换模块在端设备处于同步状态下，若交换机也处于同步状态下，则在收到端设备配置切换模块的接收信号时从接收端口中接收数据帧，实现基于时隙门控感知接收同通信能力；若交换机处于非同步状态时或该端设备处于非同步状态下，禁用基于时隙门控感知接收同通信能力，直接对接收端口上的数据帧进行通用的帧完整性和冗余管理处理后进入到正常的以太网协议接收处理流程。
本发明的有益效果在于：
本发明可在不同步状态下，一定程度上提高数据通信的时间确定性、实时性、可靠性和安全性，满足实时性要求等级高的应用场合。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。同时该专利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为一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统的通信模式切换示意图。
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。
本实施例所示的一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，可以实现uTTE通信模式与uAFDX通信模式的无缝切换。
uTTE通信模式使用在同步状态下，发送端端设备的应用数据基于统一时基基础计时上进行强实时的周期性的时间触发通信调度(基于系统定义的TDMA周期和周期分配时隙)。交换机基于时间门控过滤以及基于时隙帧转发调度。接收端端设备基于时隙门控感知接收通信能力。
uAFDX通信模式使用在非同步状态下，发送端端设备将uTTE通信模式定义的TDMA周期作为发送调度周期，将本发送端端设备的应用数据严格按照发送调度周期进行调度(uTTE与uAFDX对应的传输层、网络层和MAC协议处理保持一致)。交换机基于禁用原有的时间门控过滤机制，转发数据帧通过通用的以太网完整性校验后存入到接收端口缓冲区，转发调度采用基于接收的转发数据帧轮询调度方式，调度接收端口缓冲区的有效数据帧进入到对应转发端口。接收端端设备禁用基于时隙门控感知接收通信能力，经过通用的帧完整性和冗余管理处理后进入到正常的以太网协议接收处理流程。
参见图1所示，整个网络系统在uTTE与uAFDX通信模式切换过程中包括如下模式：初始化上电同步未建立模式、同步建立过程中模式、同步完全建立模式、同步丢失模式、同步重建立模式，各模式详细设计如下：
同步未建立模式
网络系统上电初始化过程中需要建立同步，在同步未建立之前，端设备和交换机按照uAFDX模式进行通信。
同步建立过程中模式以及建立完全的模式
系统建立同步过程中，一部分设备进入同步，另一部分未进入同步，系统根据同步设备的状态按照基于系统同步时基规划的端设备到端设备的发送、交换接收、交换转发以及接收端时隙进行选择性约束通信，约束的方式根据系统用户定义的通信模式而定。
1、交换机已经同步，部分端设备未同步，交换机按uTTE模式进行通信,在“基于统一时基基础计时下的TDMA周期”的调度下从已同步端设备的对应的端口接收数据，未同步的端设备发送数据可能被过滤掉(碰巧对上窗口还是能通过)；
2、交换机没建立同步，交换机按照uAFDX模式进行调度，进入同步状态的端设备禁用接收端的时间门控感知功能，避免接收端有效数据过滤；
3、网络系统全部进入到同步状态下，交换机和端设备按照uTTE通信模式进行通信，将完全按照基于统一时基基础的TDMA周期和分配时隙实现端设备到端设备的发送、交换接收、交换转发以及接收。
同步丢失的模式
网络系统丢失同步，按照设定时间触发通信模式(uTTE)的网络系统将切换到uAFDX通信模式进行通信交互。
同步重建立模式
进行到降级模式下的uAFDX通信的网络系统通过重同步重新建立同步。
本实施例通过在网络系统中设计端设备同步有效性维护模块、交换装置同步有效性维护模块、端设备配置切换模块、交换装置配置切换模块、端设备调度切换模块、交换装置调度切换模块、端设备接收切换模块实现根据网络系统在不同的运行状态和过程中的uTTE与uAFDX通信模式切换。
端设备同步有效性维护模块：
运行在网络系统的端设备上，分为主时钟设备同步有效性维护模块和从时钟设备同步有效性维护模块：一、主时钟设备同步有效性维护模块运行在网络系中作为主时钟的端设备上，通过将自身晶振维护的时间和外部GPS或者北斗等高可靠安全的全局时间进行对比，判断自身晶振运行的合理性，若在合理的运行范围内，则该主时钟设备同步有效性维护模块将周期性的维护自身同步使能状态，按基于统一时基基础下uTTE系统定义的TDMA周期向网络系统广播同步帧；否则判断自身同步失效将同步使能置无效使得系统同步丢失，不再周期性向网络系统广播同步帧。二、从时钟设备同步维护模块运行在网络系统中作为从时钟的端设备上，在每个TDMA周期(在同步状态下是基于统一时基基础，在非同步状态下基于本地无同步时基基础)检测网络系统中交互的同步帧，判断TDMA周期有效性以及周期内对应时刻点范围有效性。该从时钟设备同步维护模块在TDMA周期内接收到有效同步帧，将按基于统一时基基础下的周期维护自身同步使能状态，并告知交换机处于有效同步状态；当从时钟设备同步维护模块判断自身同步失效将同步使能置无效，会通知交换机丢失了有效同步状态。
注，在uAFDX模式下，各端设备和交换机不统一时基，只按照各端设备和交换机的发送权限安排下的最大周期轮询调度，每个周期安排一次调度机会，不约束调度时间和顺序)。
交换装置同步有效性维护模块
运行在网络系统的交换装置上，每个TDMA周期(在同步状态下是基于统一时基基础，在非同步状态下基于本地无同步时基基础)检测网络系统中交互的同步帧，判断TDMA周期有效性以及TDMA周期内对应时刻点范围有效性。该交换装置同步有效性维护模块在TDMA周期内接收到有效同步帧，将按基于统一时基基础下的TDMA周期维护自身同步使能状态，并告知端设备处于有效同步状态；当交换装置同步有效性维护模块判断自身同步失效将同步使能置无效，会通知端设备丢失了有效同步状态。
端设备配置切换模块
端设备配置切换模块运行在端设备上，在端设备处于同步状态时，按基于统一时基基础下uTTE系统定义的TDMA周期进行计时，当计时到该端设备分配的发送时隙时向端设备调度切换模块提供发送信号，当计时到该端设备分配的接收时隙时向端设备接收切换模块提供接收信号。
在端设备处于非同步状态时，在基于本地无同步时基基础上将uTTE系统定义的TDMA周期作为发送调度周期进行计时(而不是基于时隙进行调度)，每个发送调度周期计时满时则向端设备调度切换模块提供发送信号。
端设备调度切换模块
端设备调度切换模块运行在端设备上，在接收到端设备配置切换模块发送的发送信号时接收端口上的数据帧发送出去。
交换装置配置切换模块
交换装置配置切换模块运行在交换机上，在交换机处于同步状态下，按基于统一时基基础的uTTE系统定义的TDMA周期进行计时，在计时到各输入端口在TDMA周期上的输入时隙时向交换装置调度切换模块提供调度信号，在计时到各输出端口TDMA周期的输出时隙时向交换装置调度切换模块提供转发信号。在非同步状态下，按基于本地无同步时基基础上无时隙概念的TDMA周期计时，在TDMA周期计时满时向交换装置调度切换模块提供调度信号。
交换装置调度切换模块
交换装置调度切换模块运行在交换机上，在交换机处于同步状态下，交换装置调度切换模块接收到调度信号后，从对应端口上接收数据帧，通过通用的以太网完整性校验后存入到接收端口缓冲区，在接收到转发信号后，从对应端口的接收端口缓冲区中取出数据帧进行转发。
在非同步状态下，交换装置调度切换模块接收到调度信号后对各接收端口进行轮询，若接收端口中有数据帧则复制到转发端口进行输出，每个转发端口输出一帧。
端设备接收切换模块
端设备接收切换模块运行在端设备上，在端设备处于同步状态下，若交换机也处于同步状态下，则在收到端设备配置切换模块的接收信号时从接收端口中接收数据帧，实现基于时隙门控感知接收同通信能力。若交换机处于非同步状态或端设备处于非同步状态时，端设备禁用基于时隙门控感知接收同通信能力，直接对接收端口上的数据帧进行通用的帧完整性和冗余管理处理后进入到正常的以太网协议接收处理流程。
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 (4)

1.一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，其特征在于：
在作为主时钟的端设备上设有主时钟设备同步有效性维护模块，在作为从时钟的端设备上设从时钟设备同步有效性维护模块，在交换机上设有交换机同步有效性维护模块；
主时钟设备同步有效性维护模块通过将自身晶振维护的时间和外部全局时间进行对比，判断自身晶振运行的合理性，若在合理的运行范围内，则该主时钟设备同步有效性维护模块将周期性的维护自身同步使能状态，按基于统一时基基础下uTTE系统定义的TDMA周期向网络系统广播同步帧；否则判断自身同步失效将同步使能置无效使得系统同步丢失，不再周期性向网络系统广播同步帧；
从时钟设备同步维护模块在每个TDMA周期检测网络系统中交互的同步帧，若在TDMA周期内接收到有效同步帧，将按基于统一时基基础下的周期维护自身同步使能状态，并告知交换机处于有效同步状态；当从时钟设备同步维护模块判断自身同步失效将同步使能置无效，通知交换机丢失了有效同步状态并重新建立同步状态；
交换机同步有效性维护模块在每个TDMA周期检测网络系统中交互的同步帧，若在TDMA周期内接收到有效同步帧，将按基于统一时基基础下的TDMA周期维护自身同步使能状态，并告知端设备处于有效同步状态；当交换装置同步有效性维护模块判断自身同步失效将同步使能置无效，通知端设备丢失了有效同步状态并重新建立同步状态；
当端设备和交换机都在同步状态下，端设备和交换机按uTTE通信模式通信；
当端设备和交换机都在非同步状态下，端设备和交换机按uAFDX通信模式通信。
2.根据权利要求1所述一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，其特征在于：交换机已经同步，部分端设备未同步时，交换机按uTTE模式进行通信,在“基于统一时基基础计时下的TDMA周期”的调度下从已同步端设备的对应的端口接收数据，未同步的端设备发送数据被过滤掉。
3.根据权利要求1所述一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，其特征在于：交换机没建立同步时，交换机按照uAFDX模式进行调度，进入同步状态的端设备禁用接收端的时间门控感知功能，避免接收端有效数据过滤。
4.根据权利要求1所述一种集成uTTE与uAFDX通信模式的网络系统，其特征在于：端设备上还设有端设备配置切换模块、端设备调度切换模块、端设备接收切换模块，交换机上还设有交换装置配置切换模块、交换装置调度切换模块；
端设备配置切换模块在端设备处于同步状态时，按基于统一时基基础下uTTE系统定义的TDMA周期进行计时，当计时到该端设备分配的发送时隙时向端设备调度切换模块提供发送信号，当计时到该端设备分配的接收时隙时向端设备接收切换模块提供接收信号；处于非同步状态时，在基于本地无同步时基基础上将uTTE系统定义的TDMA周期作为发送调度周期进行计时，每个发送调度周期计时满时则向端设备调度切换模块提供发送信号；
端设备调度切换模块在接收到端设备配置切换模块发送的发送信号时将接收端口上的数据帧发送出去；
交换装置配置切换模块在同步状态下，按基于统一时基基础的uTTE系统定义的TDMA周期进行计时，在计时到各输入端口在TDMA周期上的输入时隙时向交换装置调度切换模块提供调度信号，在计时到各输出端口TDMA周期的输出时隙时向交换装置调度切换模块提供转发信号；在非同步状态下，按基于本地无同步时基基础上无时隙概念的TDMA周期计时，在TDMA周期计时满时向交换装置调度切换模块提供调度信号；
交换装置调度切换模块在同步状态下，交换装置调度切换模块接收到调度信号后，从对应端口上接收数据帧，通过通用的以太网完整性校验后存入到接收端口缓冲区，在接收到转发信号后，从对应端口的接收端口缓冲区中取出数据帧进行转发；在非同步状态下，交换装置调度切换模块接收到调度信号后对各接收端口进行轮询，若接收端口中有数据帧则复制到转发端口进行输出，每个转发端口输出一帧；
端设备接收切换模块在同步状态下，若交换机也处于同步状态下，则在收到端设备配置切换模块的接收信号时从接收端口中接收数据帧，实现基于时隙门控感知接收同通信能力；若交换机处于非同步状态时或该端设备处于非同步状态下，禁用基于时隙门控感知接收同通信能力，直接对接收端口上的数据帧进行通用的帧完整性和冗余管理处理后进入到正常的以太网协议接收处理流程。
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