CN113438143B - 一种基于soc的通信网关控制器 - Google Patents

一种基于soc的通信网关控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SOC的通信网关控制器，包含在SOC芯片的FPGA电路上设计的有线设备时间触发调度模块、有线设备协议处理模块、无线通信调度模块来实现无线通信网络系统与采用“有线式的时间触发交换网络”系统的相互通信。本发明能够实现双网间通信数据上的TT数据流在跨网络中确定性的无竞争传输，可以大大提高跨网络数据通信的确定性和实时性；同时其强大的故障检测和故障容忍隔离，大大提高了网络通信的可靠性和安全性，使得采用分层双网协同的机载总线架构可以更好的胜任实时性要求和安全的应用场合。

Description

一种基于SOC的通信网关控制器
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，特别涉及时间触发通信架构下实现“有线式的时间触发交换网络”和无线通信网络节点的高实时性和高确定性通信的基于SOC的通信网关控制器。
背景技术
现有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(“有线式的时间触发交换网络”)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；无线中心通信节点作为当前主流的一种高带宽的时间触发通信总线，其采用共享带宽通信的方式，广泛应用与国内外机载机电或者飞控领域。
当前主流机型中存在不少采用无线通信节点总线作为机电或者飞控的技术，该技术将继续被新型飞机继承沿用，“有线式的时间触发交换网络”作为一种新型的高速时间触发交换网络已经在国外的航天飞船以及几型军用直升机的航电中得到成熟的应用，充分验证其作为一种机载航电网络应用的必要性，国内几型的项目论证中已充分考虑该技术可行性和必要性。如图1、图2所示，由于机载发展需求，各类飞机中机电或者飞控等控制分系统与航电系统之间或多或少存在数据交互，所以采用无线通信网络端设备或者飞控系统与采用“有线式的时间触发交换网络”网络系统进行信息交互，需要一个“有线式的时间触发交换网络”与无线通信网络节点互通信的通信网关控制器来实现两个网络之间的互连。
目前，民用航空界正在研发未来的新一代航空器，其中用无线电通信替代部分现有的有线通信，便是未来航空制造业的发展方向之一。当前航空器上所布设的有线通信系统的线束长度都是以公里来计算的。有关数据显示，航空器布线及相关连接装置的重量占航空器总重量2-5％。对于航空器制造商而言，部署现有的有线通信系统，不仅不利于航空器的设计、生产制造时的布线装配和后期运行的维护保养，也不利于降低油耗和提高航运效率。
发明内容
针对当前以及未来的飞机机载电子系统中有线通信和无线通信分层组合搭配下的数据传输，需要一个网关设备完成两种不同网络体制的通信互连填补现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种基于SOC的通信网关控制器，将通信网关控制器作为无线通信网络的中心节点来实现无线通信网络系统与采用“有线式的时间触发交换网络”系统的相互通信，将利用基于同源的网络时钟同步，可建立两个网络系统间的协同同步机制。基于该协同的统一时钟基础上实现分层跨域的、基于相互协同的时间触发通信能力，能够实现双网间通信数据上的TT数据流在跨网络中确定性的无竞争传输，可以大大提高跨网络数据通信的确定性和实时性；同时其强大的故障检测和故障容忍隔离，大大提高了网络通信的可靠性和安全性，使得采用分层双网协同的机载总线架构可以更好的胜任实时性要求和安全的应用场合。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于SOC的通信网关控制器，用于实现“有线式的时间触发交换网络”与机载无线通信网络之间的通信，在SOC芯片的FPGA电路上设计了有线设备时间触发调度模块、有线设备协议处理模块、无线通信调度模块；
当通信网关控制器从“有线式的时间触发交换网络”上接收到数据帧并需要发送给无线通信网络节点时按以下步骤执行：
步骤1-1、当有线设备协议处理模块处于接收状态时，将接收到待发送到无线通信网络的“有线式的时间触发交换网络”数据帧进行IP解包处理，将帧内容存入到有线通信帧缓冲区中，并将路由IP信息存入到有线帧信息队列中；
步骤1-2、无线通信调度模块将有线通信帧缓冲区中的帧内容组成无线通信网络的数据帧后，在对应的通信静态段时隙或通信动态段时隙将数据帧通过无线通信节点物理层电路发送给IP映射的ID的无线通信设备；
其中，若IP-ID映射表存储在SOC芯片的处理器电路上，则由处理器电路的驱动软件通过调用标准的通信API接口从有线帧信息队列读取IP信息，通过查询IP-ID映射表获得“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息对应的无线通信网络中无线通信设备的ID号，并提取帧内容，调用无线通信发送接口将ID号和帧内容输入到无线通信调度模块；若IP-ID映射表存储在FPGA芯片上，则由无线通信调度模块从有线帧信息队列读取IP信息，通过查询IP-ID映射表获得“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息对应的无线通信网络中的无线通信设备的ID号；
当通信网关控制器从无线通信网络上接收到待发送给“有线式的时间触发交换网络”的数据帧时按以下步骤执行：
步骤2-1、无线通信调度模块在非本身的通信静态段时隙或通信动态段时隙接收无线通信数据帧后，将数据帧中的帧内容存储在无线帧数据缓存中，将路由信息中的无线通信设备ID号存储在无线通信信息队列中；
步骤2-2、当有线设备协议处理模块处于发送状态时，从无线帧数据缓存中取出帧内容进行IP打包处理，组成“有线式的时间触发交换网络”数据帧后按ID号映射的IP地址、消息类型输入到对应时间触发TT调度缓冲区或事件触发ET调度缓冲区中；
步骤2-3、有线设备时间触发调度模块在同步时钟激励下根据对应消息类型分配的同步时间片时间触发TT调度缓冲区或事件触发ET调度缓冲区中的数据帧通过千兆PHY电路进行发送；
其中，若IP-ID映射表存储在SOC芯片的处理器电路上，则由处理器电路的驱动软件通过调用标准的通信API接口从无线通信信息队列中读取无线通信设备ID号，通过查询IP-ID映射表获得无线通信设备ID号对应的“有线式的时间触发交换网络”目的IP信息，再调用有线通信发送接口将IP信息输入到有线设备协议处理模块；若IP-ID映射表存储在FPGA芯片上，则由有线设备协议处理模块从无线通信信息队列中读取无线通信设备ID号，通过查询IP-ID映射表获得无线通信设备ID号对应的“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息。
进一步，FPGA电路上还设计了有线设备接收校验模块，用于将千兆PHY电路接收的“有线式的时间触发交换网络”数据帧按数据类别进行对应的完整性校验，检验通过的数据帧上传到有线设备协议处理模块接收处理，否则数据帧被丢弃。
进一步，在FPGA电路上设计了协议路由查表映射模块，对IP-ID映射关系进行学习建立，具体为：
协议路由查表映射模块中的透传包解析模块获取本通信网关控制器所连接的“有线式的时间触发交换网络”的终端的IP路由地址以及所连接无线通信系统中无线通信设备的ID号，并将有线式的时间触发交换网络”的IP地址映射到无线网络系统的无线通信设备ID号，将映射关系写入到协议路由查表映射模块中的路由管理存储模块中。
进一步，在FPGA电路上设计了有线设备同步模块和有无线协同同步模块，有线设备同步模块在与“有线式的时间触发交换网络”采用主从同步方式或者分布式同步方式构建同步，有线设备同步模块在与“有线式的时间触发交换网络”建立同步之后将通信网关控制器当前的时钟值给到有无线协同同步模块，无线协同同步模块将通信网关控制器当前的时钟值作为无线通信系统同步时钟源。
进一步，通信网关控制器在作为主从式同步时的主同步角色时，有线设备同步模块将通信网关控制器的当前时钟值为“有线式的时间触发交换网络”的同步时钟源；
通信网关控制器在作为主从式同步时的从同步角色、分布式同步时的主动同步角色或被动同步角色时，有线设备同步模块中同步帧探测单元探测到“有线式的时间触发交换网络”输入的同步帧，记录同步帧接收时刻点并进行类别区分：识别出基于主从式同步模式以及基于分布式同步模式的同步帧，将同步帧中透明时钟信息和同步帧接收时刻点信息拼装成同步补偿时间信息，分别输入到对应的功能逻辑单元：
基于主从式同步的时钟同步功能逻辑单元：从同步帧中获取到同步补偿时间信息，进行对应的主时钟源的、同步帧发送时刻点的恢复运算，得出主从时钟的偏差，得出从时钟的时钟值设置为当前通信网关控制器的时钟值。
基于分布式同步的时钟同步功能逻辑单元：1、当充当主动同步角色时，设置同步冷启动的功能状态机，通过功能状态机的状态控制、转换，以及冷启动阶段的同步帧的发送控制和接收处理，实现冷启动阶段的端设备与交换机的两次握手通信；接收到来自”有线式的时间触发交换网络”的交换设备的集成同步帧，通过集成同步帧的固化运算获取有效集成同步帧的固化时间序列求平均得到相应的补偿偏差，修正通信网关控制器的当前时钟值；2、当充当被动同步角色时，不参与冷启动阶段的握手过程，开启监听模式监听接收来自”有线式的时间触发交换网络”的交换设备的集成同步帧，通过集成同步帧的固化运算获取有效集成同步帧的固化时间序列求平均得到相应的补偿偏差，修正该通信网关控制器的当前时钟值；
有线设备同步模块在得到通信网关控制器的当前时钟值后，按照固定的同步周期产生同步时钟调度脉冲，将该同步时钟调度脉冲提交给有线设备时间触发调度模块和无线通信调度模块用于基于同步时隙调度的计时；
无线协同同步模块在无线通信系统约定同步广播时隙的起始时刻点产生使能脉冲调度同步帧在“无线通信系统”中广播，实现无线系统中以“无线协同同步模块当前的时钟值”为系统同步时钟源的同步对时。
进一步，所述同步帧具备更新累加广播同步帧的使能脉冲时刻点后的调度传输时延，用于接收端补偿处理，还原相对发送时刻点。
进一步，FPGA电路上设计了无线通信时隙规划模块；无线通信时隙规划模块基于无线通信系统同步时钟源将整个无线通信系统的TDMA周期划分为同步广播时隙、信令时隙、通信静态段时隙和通信动态段时隙；
所述无线通信调度模块针对“无线通信时隙规划模块”分配的时隙，在基于无线通信系统同步时钟源周期计时的基础上，完成相应的通信调度和系统交互：
到达同步广播时隙开始边界时，调度同步帧广播发送到无线通信系统；
到达信令时隙开始边界时，根据上行信令时隙和下行信令时隙的类别区分执行下面两种信令消息的发送：下行信令时隙是网关设备向节点设备发送信令信息；上行信令时隙是节点设备向网关设备发送信令信息；
到达通信静态段时隙开始边界时，识别时隙ID是否属于本设备，非本身ID时隙，开启数据接收监听，接收来自网络上的数据；属于本设备时隙，提取该通信静态段时隙类别的数据，比较数据码流传输时延与该通信静态段时隙长度，如果数据超长则截断发送；长度满足通信静态段时隙要求，则在该通信静态段时隙成帧发送，实现单个时槽结束时完成对应调度的消息传输；
到达通信动态段时隙开始边界时，识别该通信动态段时隙是否被其他设备的高优先级数据占用，通信动态段时隙被占用情况下，开启数据接收监听，接收来自网络上的数据；通信动态段时隙属于空闲状态，查询本设备是否存在系统较高优先级的数据发送，存在高优先级数据则提取对应的数据，比较数据码流传输时延与该动态时隙长度，如果数据超长则截断发送；长度满足通信动态段时隙要求，则在该通信动态段时隙成帧发送，实现动态数据在通信动态段时隙发送完成，避免通信动态段时隙数据帧发送占用下一个静态时槽带宽资源。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于SOC的通信网关控制器，实现了具有故障容忍的网络时钟同步基础上建立的时间触发传输机制，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，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。该设计方法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为无线通信网络系统与采用“有线式的时间触发交换网络”系统的相互通信示意图一。
图2为无线通信网络系统与采用“有线式的时间触发交换网络”系统的相互通信示意图二。
图3为基于SOC的通信网关控制器硬件示意图。
图4为基于SOC的通信网关控制器的控制流程示意图。
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。
参见图3，本实施例为实现“有线式的时间触发交换网络”与机载无线通信网络之间的数据传输提供了一种基于SOC的通信网关控制器，采用SOC芯片作为核心部件，SOC中包括PL端FPGA电路、PS端的处理器电路和其它电路。其它电路包括电源电路、实现”有线式的时间触发交换网络”设备端的千兆PHY电路以及光模块、无线通信节点物理层电路，无线通信节点物理层电路包括AD/DA、物理信号功放、收发变频通道以及射频前端硬件电路。
“有线式的时间触发交换网络”之间通信是用IP地址相互寻址的，无线网络节点设备间通信是用ID号相互寻址的，在通信网关控制器中建立一个IP-ID映射表，来将IP地址寻址转换为ID号寻址，完成通信网关控制器的两类通信功能：一类是承载有线通信系统到无线通信系统的相互透传的业务数据，另一类是作为有线节点设备和无线热点设备的自主业务通信业务功能。
处理器电路一种方式是完成将本地存放的“有线式的时间触发交换网络”和无线通信网络节点之间的IP-ID映射表进行查表映射、并将”有线式的时间触发交换网络”节点通信配置、无线中心通信节点节点通信配置读出，配置到FPGA通信寄存器和路由地址表中；另一种方式是处理器内存不存放”有线式的时间触发交换网络”和无线通信网络节点之间的IP-ID映射表，而是将IP-ID映射表建立在FPGA端。”
为实现“有线式的时间触发交换网络”和无线通信网络之间跨网数据收发，本实施例在FPGA电路上设计了有线设备时间触发调度模块、有线设备协议处理模块、无线通信调度模块，如图4所示，收发过程如下：
一、当通信网关控制器从“有线式的时间触发交换网络”上接收到数据帧并需要发送给无线通信网络节点时按以下步骤执行：
步骤1-1、当有线设备协议处理模块处于接收状态时，将接收到待发送到无线通信网络的“有线式的时间触发交换网络”数据帧进行IP解包处理，将帧内容存入到有线通信帧缓冲区中，并将路由IP信息存入到有线帧信息队列中。
步骤1-2、无线通信调度模块将有线通信帧缓冲区中的帧内容组成无线通信网络的数据帧后，在对应的通信静态段时隙或通信动态段时隙将数据帧通过无线通信节点物理层电路发送给IP映射的ID的无线通信设备。
其中，若IP-ID映射表存储在处理器电路上，则由处理器电路的驱动软件通过调用标准的通信API接口从有线帧信息队列读取IP信息，通过查询IP-ID映射表获得“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息对应的无线通信网络中无线通信设备的ID号，并提取帧内容，调用无线通信发送接口将ID号和帧内容输入到无线通信调度模块；若IP-ID映射表存储在FPGA芯片上，则由无线通信调度模块从有线帧信息队列读取IP信息，通过查询IP-ID映射表获得“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息对应的无线通信网络中的无线通信设备的ID号。
二、当通信网关控制器从无线通信网络上接收到待发送给“有线式的时间触发交换网络”的数据帧时按以下步骤执行：
步骤2-1、无线通信调度模块在非本身的通信静态段时隙或通信动态段时隙接收无线通信数据帧后，将数据帧中的帧内容存储在无线帧数据缓存中，将路由信息中的无线通信设备ID号存储在无线通信信息队列中。
步骤2-2、当有线设备协议处理模块处于发送状态时，从无线帧数据缓存中取出帧内容进行IP打包处理，组成“有线式的时间触发交换网络”数据帧后按ID号映射的IP地址、消息类型输入到对应时间触发TT调度缓冲区或事件触发ET调度缓冲区中。
步骤2-3、有线设备时间触发调度模块在同步时钟激励下根据对应消息类型分配的同步时间片时间触发TT调度缓冲区或事件触发ET调度缓冲区中的数据帧通过千兆PHY电路进行发送。
其中，若IP-ID映射表存储在处理器电路上，则由处理器电路的驱动软件通过调用标准的通信API接口从无线通信信息队列中读取无线通信设备ID号，通过查询IP-ID映射表获得无线通信设备ID号对应的“有线式的时间触发交换网络”目的IP信息，再调用有线通信发送接口将IP信息输入到有线设备协议处理模块；若IP-ID映射表存储在FPGA芯片上，则由有线设备协议处理模块从无线通信信息队列中读取无线通信设备ID号，通过查询IP-ID映射表获得无线通信设备ID号对应的“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息。
此外，本实施例还在FPGA电路上还设计了有线设备接收校验模块，用于将千兆PHY电路接收的“有线式的时间触发交换网络”数据帧按数据类别进行对应的完整性校验，时间触发TT帧按时间完整性校验流程处理，事件触发ET数据帧无需校验时间完整性，检验通过的数据帧上传到有线设备协议处理模块接收处理，否则数据帧被丢弃。
“有线式的时间触发交换网络”的路由IP信息与无线通信设备ID号之间的映射关系可以预先配置在通信网关控制器中，也可以在通信网关控制器中通过自动路由学习建立，从而可以实现无线通信设备间的随意搭配和任意更换。本实施例作为举例说明，在FPGA电路上设计了协议路由查表映射模块，对IP-ID映射关系进行学习建立，具体为：
协议路由查表映射模块中的透传包解析模块获取本通信网关控制器所连接的“有线式的时间触发交换网络”的终端的网内身份标识(如IP路由地址)以及所连接无线通信系统中无线通信设备的身份标识(如无线通信设备ID号)，并将有线式的时间触发交换网络”的IP地址映射到无线网络系统的无线通信设备ID号，映射关系可以是一对一，也还是多对一，将映射关系写入到协议路由查表映射模块中的路由管理存储模块中。
IP-ID映射表中存储两部分内容，分别是：
Figure GDA0003615727450000111
无线通信网络内所有无线通信设备到有线通信设备的IP-ID映射关系；
Figure GDA0003615727450000112
有线通信设备到无线网络内所有用户设备的IP-ID映射关系。
为了更好实现跨网数据收发功能，本实施例还在无线通信网络系统与采用“有线式的时间触发交换网络”系统之间进行基于同时钟源的全局网络同步，作为举例说明，本实施例还在FPGA电路上设计了有线设备同步模块和有无线协同同步模块，有线设备同步模块在与“有线式的时间触发交换网络”采用主从同步方式或者分布式同步方式构建同步，有线设备同步模块在与“有线式的时间触发交换网络”建立同步之后将通信网关控制器当前的时钟值给到有无线协同同步模块，无线协同同步模块将通信网关控制器当前的时钟值作为无线通信系统同步时钟源。
有线设备同步模块中集成实现了两种独立的同步功能：1、“有线式的时间触发交换网络”采用主从式同步时，有线设备同步模块可充当“有线式的时间触发交换网络”中主同步角色以及从同步角色；2、“有线式的时间触发交换网络”采用分布式同步时，有线设备同步模块根据“有线式的时间触发交换网络”中的角色定义充当“有线式的时间触发交换网络”中主动同步角色以及被动同步角色。
在作为主从式同步时的主同步角色，有线设备同步模块可以通过最优时钟选举机制或者预先指定为主从式同步的主同步角色，即通信网关控制器的当前时钟值为“有线式的时间触发交换网络”的同步时钟源。
在作为主从式同步时的从同步角色和分布式同步时的主动同步角色和被动同步角色，有线设备同步模块中同步帧探测单元探测到“有线式的时间触发交换网络”输入的同步帧，记录同步帧接收时刻点并进行类别区分：识别出基于主从式同步模式以及基于分布式同步模式的同步帧，将同步帧中透明时钟信息和同步帧接收时刻点信息拼装成同步补偿时间信息，分别输入到对应的功能逻辑单元：
Figure GDA0003615727450000121
基于主从式同步的时钟同步功能逻辑单元：从同步帧中获取到同步补偿时间信息，进行对应的主时钟源的、同步帧发送时刻点的恢复运算，得出主从时钟的偏差，得出从时钟的时钟值设置为当前通信网关控制器的时钟值。
Figure GDA0003615727450000122
基于分布式同步的时钟同步功能逻辑单元：1、当充当主动同步角色时，设置同步冷启动的功能状态机，通过功能状态机的状态控制、转换，以及冷启动阶段的同步帧的发送控制和接收处理，实现冷启动阶段的端设备与交换机的两次握手通信；接收到来自”有线式的时间触发交换网络”的交换设备的集成同步帧，通过集成同步帧的固化运算获取有效集成同步帧的固化时间序列求平均得到相应的补偿偏差，修正通信网关控制器的当前时钟值；2、当充当被动同步角色时，不参与冷启动阶段的握手过程，开启监听模式监听接收来自”有线式的时间触发交换网络”的交换设备的集成同步帧，通过集成同步帧的固化运算获取有效集成同步帧的固化时间序列求平均得到相应的补偿偏差，修正该通信网关控制器的当前时钟值。
有线设备同步模块在得到通信网关控制器的当前时钟值后，按照固定的同步周期产生同步时钟调度脉冲，将该同步时钟调度脉冲提交给有线设备时间触发调度模块和无线通信调度模块用于基于同步时隙调度的计时；
无线协同同步模块在无线通信系统约定同步广播时隙的起始时刻点产生使能脉冲调度同步帧在“无线通信系统”中广播，实现无线系统中以“无线协同同步模块当前的时钟值”为系统同步时钟源的同步对时。
为了避免与无线通信网络中其它无线通信设备发生冲突和碰撞，提高传输的确定性，采用与其它无线通信设备协同划分时隙，因此，本实施例在FPGA电路上设计了无线通信时隙规划模块，实现无线通信系统的通信资源分配和通信时隙规划，并将时隙信息提供给无线通信调度模块。
无线通信时隙规划模块基于有无线协同同步模块提供的无线通信系统同步时钟源将整个无线通信系统的TDMA周期划分为四种时隙：
Figure GDA0003615727450000131
同步广播时隙：同步模块广播同步帧通信时隙；
Figure GDA0003615727450000132
信令时隙：分为上下行信令时隙；
Figure GDA0003615727450000133
通信静态段时隙：无线通信时隙规划模块对划分静态时槽进行编号，每个时槽都有标识自己唯一的ID的时槽号，每个时槽都可以用于对应ID设备的数据帧发送，并且在单个时槽结束时需要完成对应消息的传输。
Figure GDA0003615727450000141
通信动态段时隙：无线通信时隙规划模块划分完静态业务时隙后，剩余的时隙段编排为系统通信动态端时隙，该时隙下编排时隙的ID号，根据ID号顺序由小到大依次编排，代表了调度的动态数据的优先级。设置数据优先级高的在动态时隙ID号小段位发送，实现优先级调度管理。
所述无线通信调度模块针对“无线通信时隙规划模块”分配的时隙，在基于全局同步时钟周期计时的基础上，完成相应的通信调度和系统交互等功能：
Figure GDA0003615727450000142
无线通信调度模块中的同步广播时隙通信控制：基于全局同步时钟周期计时值到达相应的同步广播时隙开始边界，调度同步帧广播发送到无线通信系统。
Figure GDA0003615727450000143
无线通信调度模块中的信令时隙通信控制：基于全局同步时钟周期计时值到达相应的信令时隙开始边界，根据上行信令时隙和下行信令时隙的类别区分执行下面两种信令消息的发送：下行信令时隙是网关设备向节点设备发送信令信息；上行信令时隙是节点设备向网关设备发送信令信息，无线通信系统中所有的节点设备采用竞争-退避机制，共用上行信令时隙。
Figure GDA0003615727450000144
无线通信调度模块中的通信静态段时隙：基于全局同步时钟周期计时值到达静态段时隙开始边界，识别时隙ID是否属于本设备，非本身ID时隙，开启数据接收监听，接收来自网络上的数据；属于本设备时隙，提取该通信静态段时隙类别的数据，比较数据码流传输时延与该通信静态段时隙长度，如果数据超长则截断发送；长度满足通信静态段时隙要求，则在该通信静态段时隙成帧发送，实现单个时槽结束时完成对应调度的消息传输。
Figure GDA0003615727450000145
无线通信调度模块中的通信动态段时隙：基于全局同步时钟周期计时值到达通信静态动态段时隙开始边界，识别该通信动态段时隙是否被其他设备的高优先级数据占用，通信动态段时隙被占用情况下，开启数据接收监听，接收来自网络上的数据；通信动态段时隙属于空闲状态，查询本设备是否存在系统较高优先级的数据发送，存在高优先级数据则提取对应的数据，比较数据码流传输时延与该通信动态段时隙长度，如果数据超长则截断发送；长度满足通信动态段时隙要求，则在该通信动态段时隙成帧发送，实现动态数据在通信动态段时隙发送完成，避免通信动态段时隙数据帧发送占用下一个静态时槽带宽资源。
本发明利用基于具有故障容忍的网络时钟同步基础上建立的时间触发传输机制，能够实现TT数据流在网络中无竞争的传输，可以大大提高数据通信的确定性和实时性；同时其强大的故障检测和故障容忍隔离，大大提高了网络通信的可靠性和安全性，使得该机载总线可以更好的胜任实时性要求和安全性要求苛刻的应用场合。通过时间触发交换网络作为核心骨干网络，末端采用无线接入，无线通信采用基于TDMA的机制，实现面向机载系统内部应用和空间相对封闭、资源需求用户可预知定义、设备无相对运动下的、需求相对可靠和安全的无线通信场景。

Claims (7)

1.一种基于SOC的通信网关控制器，用于实现“有线式的时间触发交换网络”与机载无线通信网络之间的通信，其特征在于在SOC芯片的FPGA电路上设计了有线设备时间触发调度模块、有线设备协议处理模块、无线通信调度模块；
当通信网关控制器从“有线式的时间触发交换网络”上接收到数据帧并需要发送给无线通信网络节点时按以下步骤执行：
步骤1-1、当有线设备协议处理模块处于接收状态时，将接收到待发送给无线通信网络的“有线式的时间触发交换网络”数据帧进行IP解包处理，将帧内容存入到有线通信帧缓冲区中，并将路由IP信息存入到有线帧信息队列中；
步骤1-2、无线通信调度模块将有线通信帧缓冲区中的帧内容组成无线通信网络的数据帧后，在对应的通信静态段时隙或通信动态段时隙将数据帧通过无线通信节点物理层电路发送给IP映射的ID的无线通信设备；
其中，若IP-ID映射表存储在SOC芯片的处理器电路上，则由处理器电路的驱动软件通过调用标准的通信API接口从有线帧信息队列读取IP信息，通过查询IP-ID映射表获得“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息对应的无线通信网络中无线通信设备的ID号，并提取帧内容，调用无线通信发送接口将ID号和帧内容输入到无线通信调度模块；若IP-ID映射表存储在FPGA芯片上，则由无线通信调度模块从有线帧信息队列读取IP信息，通过查询IP-ID映射表获得“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息对应的无线通信网络中的无线通信设备的ID号；
当通信网关控制器从无线通信网络上接收到待发送给“有线式的时间触发交换网络”的数据帧时按以下步骤执行：
步骤2-1、无线通信调度模块在非本身的通信静态段时隙或通信动态段时隙接收无线通信数据帧后，将数据帧中的帧内容存储在无线帧数据缓存中，将路由信息中的无线通信设备ID号存储在无线通信信息队列中；
步骤2-2、当有线设备协议处理模块处于发送状态时，从无线帧数据缓存中取出帧内容进行IP打包处理，组成“有线式的时间触发交换网络”数据帧后按ID号映射的IP地址、消息类型输入到对应时间触发TT调度缓冲区或事件触发ET调度缓冲区中；
步骤2-3、有线设备时间触发调度模块在同步时钟激励下根据对应消息类型分配的同步时间片时间触发TT调度缓冲区或事件触发ET调度缓冲区中的数据帧通过千兆PHY电路进行发送；
其中，若IP-ID映射表存储在SOC芯片的处理器电路上，则由处理器电路的驱动软件通过调用标准的通信API接口从无线通信信息队列中读取无线通信设备ID号，通过查询IP-ID映射表获得无线通信设备ID号对应的“有线式的时间触发交换网络”目的IP信息，再调用有线通信发送接口将IP信息输入到有线设备协议处理模块；若IP-ID映射表存储在FPGA芯片上，则由有线设备协议处理模块从无线通信信息队列中读取无线通信设备ID号，通过查询IP-ID映射表获得无线通信设备ID号对应的“有线式的时间触发交换网络”路由IP信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOC的通信网关控制器，其特征在于：FPGA电路上还设计了有线设备接收校验模块，用于将千兆PHY电路接收的“有线式的时间触发交换网络”数据帧按数据类别进行对应的完整性校验，检验通过的数据帧上传到有线设备协议处理模块接收处理，否则数据帧被丢弃。
3.根据权利要求1所述的一种基于SOC的通信网关控制器，其特征在于：在FPGA电路上设计了协议路由查表映射模块，对IP-ID映射关系进行学习建立，具体为：
协议路由查表映射模块中的透传包解析模块获取本通信网关控制器所连接的“有线式的时间触发交换网络”的终端的IP路由地址以及所连接无线通信系统中无线通信设备的ID号，并将有线式的时间触发交换网络”的IP地址映射到无线网络系统的无线通信设备ID号，将映射关系写入到协议路由查表映射模块中的路由管理存储模块中。
4.根据权利要求1所述的一种基于SOC的通信网关控制器，其特征在于：在FPGA电路上设计了有线设备同步模块和无线协同同步模块，有线设备同步模块在与“有线式的时间触发交换网络”采用主从同步方式或者分布式同步方式构建同步，有线设备同步模块在与“有线式的时间触发交换网络”建立同步之后将通信网关控制器当前的时钟值给到无线协同同步模块，无线协同同步模块将通信网关控制器当前的时钟值作为无线通信系统同步时钟源。
5.根据权利要求4所述的一种基于SOC的通信网关控制器，其特征在于：
通信网关控制器在作为主从式同步时的主同步角色时，有线设备同步模块将通信网关控制器的当前时钟值为“有线式的时间触发交换网络”的同步时钟源；
通信网关控制器在作为主从式同步时的从同步角色、分布式同步时的主动同步角色或被动同步角色时，有线设备同步模块中同步帧探测单元探测到“有线式的时间触发交换网络”输入的同步帧，记录同步帧接收时刻点并进行类别区分：识别出基于主从式同步模式以及基于分布式同步模式的同步帧，将同步帧中透明时钟信息和同步帧接收时刻点信息拼装成同步补偿时间信息，分别输入到对应的功能逻辑单元：
基于主从式同步的时钟同步功能逻辑单元：从同步帧中获取到同步补偿时间信息，进行对应的主时钟源的、同步帧发送时刻点的恢复运算，得出主从时钟的偏差，得出从时钟的时钟值设置为当前通信网关控制器的时钟值；
基于分布式同步的时钟同步功能逻辑单元：1、当充当主动同步角色时，设置同步冷启动的功能状态机，通过功能状态机的状态控制、转换，以及冷启动阶段的同步帧的发送控制和接收处理，实现冷启动阶段的端设备与交换机的两次握手通信；接收到来自”有线式的时间触发交换网络”的交换设备的集成同步帧，通过集成同步帧的固化运算获取有效集成同步帧的固化时间序列求平均得到相应的补偿偏差，修正通信网关控制器的当前时钟值；2、当充当被动同步角色时，不参与冷启动阶段的握手过程，开启监听模式监听接收来自”有线式的时间触发交换网络”的交换设备的集成同步帧，通过集成同步帧的固化运算获取有效集成同步帧的固化时间序列求平均得到相应的补偿偏差，修正该通信网关控制器的当前时钟值；
有线设备同步模块在得到通信网关控制器的当前时钟值后，按照固定的同步周期产生同步时钟调度脉冲，将该同步时钟调度脉冲提交给有线设备时间触发调度模块和无线通信调度模块用于基于同步时隙调度的计时；
无线协同同步模块在无线通信系统约定同步广播时隙的起始时刻点产生使能脉冲调度同步帧在“无线通信系统”中广播，实现无线通信系统中以“无线协同同步模块当前的时钟值”为系统同步时钟源的同步对时。
6.根据权利要求5所述的一种基于SOC的通信网关控制器，其特征在于：所述同步帧具备更新累加广播同步帧的使能脉冲时刻点后的调度传输时延，用于接收端补偿处理，还原相对发送时刻点。
7.根据权利要求1所述的一种基于SOC的通信网关控制器，其特征在于：FPGA电路上设计了无线通信时隙规划模块；无线通信时隙规划模块基于无线通信系统同步时钟源将整个无线通信系统的TDMA周期划分为同步广播时隙、信令时隙、通信静态段时隙和通信动态段时隙；
所述无线通信调度模块针对无线通信时隙规划模块分配的时隙，在基于无线通信系统同步时钟源周期计时的基础上，完成相应的通信调度和系统交互：
到达同步广播时隙开始边界时，调度同步帧广播发送到无线通信系统；
到达信令时隙开始边界时，根据上行信令时隙和下行信令时隙的类别区分执行下面两种信令消息的发送：下行信令时隙是网关设备向节点设备发送信令信息；上行信令时隙是节点设备向网关设备发送信令信息；
到达通信静态段时隙开始边界时，识别时隙ID是否属于本设备，非本身ID时隙，开启数据接收监听，接收来自网络上的数据；属于本设备时隙，提取该通信静态段时隙类别的数据，比较数据码流传输时延与该通信静态段时隙长度，如果数据超长则截断发送；长度满足时隙要求，则在该通信静态段时隙成帧发送，实现单个时槽结束时完成对应调度的消息传输；
到达通信动态段时隙开始边界时，识别该通信动态段时隙是否被其他设备的高优先级数据占用，通信动态段时隙被占用情况下，开启数据接收监听，接收来自网络上的数据；通信动态段时隙属于空闲状态，查询本设备是否存在系统较高优先级的数据发送，存在高优先级数据则提取对应的数据，比较数据码流传输时延与该通信动态段时隙长度，如果数据超长则截断发送；长度满足时隙要求，则在该通信动态段时隙成帧发送，实现动态数据在通信动态段时隙发送完成，避免通信动态段时隙数据帧发送占用下一个静态时槽带宽资源。
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