0 引言

    機(jī)載電子系統(tǒng)在近六十年的發(fā)展過程中,，經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式,、綜合式和先進(jìn)綜合式4個(gè)階段,，信息綜合程度的不斷提高，對(duì)新型機(jī)載總線提出了更高的要求^[1],。1394總線是目前較先進(jìn)的航空電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，它具有傳輸實(shí)時(shí)性,、可靠性和確定性等特點(diǎn),，可滿足當(dāng)前航空電子系統(tǒng)對(duì)于機(jī)載總線的需求^[2]。

    1986年蘋果公司為了取代當(dāng)時(shí)并不普遍的SCSI接口,，研究出一種高速數(shù)據(jù)傳輸接口技術(shù),，稱之為FireWire（火線）,，即IEEE1394總線^[3]。圖1為1394總線的協(xié)議發(fā)展,。

    1995年由IEEE(電氣與電子工程協(xié)會(huì))正式制定1394總線標(biāo)準(zhǔn),，即IEEE Std 1394-1995，分別在2000和2002年針對(duì)總線控制性,，仲裁和故障容錯(cuò)等性能進(jìn)行了改進(jìn),、發(fā)布了IEEE1394a-2000和IEEE1394b-2002協(xié)議。

    2004年,，SAE為了滿足機(jī)載網(wǎng)絡(luò)對(duì)于可靠性,、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性并且保證帶寬等方面的高要求,，在IEEE1394b協(xié)議的基礎(chǔ)上作了修改和裁剪,，提出了SAE AS5643協(xié)議。該協(xié)議對(duì)IEEE-1394b規(guī)范進(jìn)行裁剪和約束,，通過數(shù)據(jù)傳輸,、總線同步和容錯(cuò)等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)載電子系統(tǒng)的功能要求，使得1394總線能夠在軍事和飛行器中的安全關(guān)鍵/任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)中得到應(yīng)用,。

    出于政治,、軍事、經(jīng)濟(jì)等原因,，國內(nèi)無法獲取完整的1394總線技術(shù)資料,，對(duì)AS5643協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)研究不足，缺失協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法的研究,，沒有協(xié)議處理解決方案,，導(dǎo)致缺乏可使用的總線相關(guān)產(chǎn)品。因此目前1394總線技術(shù)的應(yīng)用多以民用技術(shù)為主,，主要使用在民用領(lǐng)域和地面仿真系統(tǒng),。

1 技術(shù)分析

    1394總線在IEEE-1394總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)配置,、帶寬分配和嚴(yán)格時(shí)間觸發(fā)通信調(diào)度機(jī)制等策略,，去除原有總線通信的一些不確定因素，通過增加心跳,、健康狀態(tài)字,、縱向奇偶校驗(yàn)等方法并結(jié)合IEEE-1394b協(xié)議特有的環(huán)檢測和環(huán)斷開機(jī)制提高整個(gè)總線的容錯(cuò)能力，確保了總線通信的確定性和可靠性,。

1.1 總線組成

    1394總線以節(jié)點(diǎn)為單位組成通信網(wǎng)絡(luò),，一個(gè)基本的1394總線系統(tǒng)由總線控制計(jì)算機(jī)(Control Computer，簡稱CC)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)(Remote Node,，簡稱RN),、總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)(Bus Monitor，簡稱BM)和1394連接器,、線纜組成^[4],。圖2為1394總線的一種最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠完成基本的網(wǎng)絡(luò)通信,。

    節(jié)點(diǎn)CC節(jié)點(diǎn)作為1394總線的節(jié)點(diǎn)控制器,，按周期發(fā)送幀起始（STOF）消息，通知總線上所有節(jié)點(diǎn)新的一幀開始,，通過STOF消息完成同步總線,。RN節(jié)點(diǎn)作為遠(yuǎn)程終端，根據(jù)總線通道預(yù)分配,，將不同的節(jié)點(diǎn)ID和通道號(hào)進(jìn)行綁定,。RN節(jié)點(diǎn)在收到STOF消息后，確認(rèn)新的一幀開始,，并按照預(yù)分配的時(shí)間偏移和帶寬,，在自身節(jié)點(diǎn)時(shí)間偏移到來時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

    BM節(jié)點(diǎn)作為總線監(jiān)控設(shè)備,，作為葉子節(jié)點(diǎn)掛接在總線上,，能夠監(jiān)控總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)管理消息和普通數(shù)據(jù)消息。通過總線監(jiān)控,，能夠?qū)偩€網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和事后數(shù)據(jù)分析,，為機(jī)載電子設(shè)備的開發(fā)提供了更方便的手段。

    總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過1394線纜連接,，1394總線線纜是一種物理通信媒介,，是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)妮d體。1394線纜通過連接器與模塊進(jìn)行連接,，通過連接器實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)接口,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間距離過長時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)衰減過大,，由此需要通過1394總線中繼器來完成信號(hào)的增強(qiáng),。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    總線的拓?fù)湫问街饕罁?jù)航空電子系統(tǒng)的安全性等級(jí)來確定，AS5643協(xié)議根據(jù)IEEE-1394b協(xié)議本身支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并結(jié)合型號(hào)應(yīng)用特點(diǎn)推薦了3種總線構(gòu)型,，分別為樹狀拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)浜腿喽拳h(huán)形拓?fù)?sup>[5]。

    圖3展示了一種三余度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，每條余度內(nèi)包含兩條環(huán)形拓?fù)浜鸵粭l樹形拓?fù)洹?/p>

    在環(huán)形拓?fù)鋬?nèi),，IEEE-1394b協(xié)議提供的環(huán)檢測和環(huán)斷開功能能夠自動(dòng)檢測總線拓?fù)涫欠翊嬖诃h(huán)路,，若檢測到環(huán)路,，則自動(dòng)禁止某兩個(gè)端口間的連接,，斷開環(huán)路形成樹狀拓?fù)洹Ｈ绻我庖粋€(gè)節(jié)點(diǎn)失效,，那么總線將故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)重構(gòu)為新樹結(jié)構(gòu)的末端,，使其不影響其他節(jié)點(diǎn)間的通信，為系統(tǒng)提供第一級(jí)容錯(cuò)能力,。

    各個(gè)余度之間通過CCDL（交叉數(shù)據(jù)鏈路）進(jìn)行消息表決,，為機(jī)載重要安全系統(tǒng)提供了多層冗余容錯(cuò)，提供了更高的安全性和可靠性,。

1.3 通信機(jī)制

    1394總線通信基于固定幀速率和預(yù)分配帶寬實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)消息的周期定時(shí)發(fā)送機(jī)制,，采用STOF包進(jìn)行總線同步，使用異步流包進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,，同時(shí)通過對(duì)異步流包格式的進(jìn)一步定義增加總線管理和故障監(jiān)控功能,。

    消息通信機(jī)制如圖4所示，1394總線通信原理如下：

    (1)總線初始化過程中,，CC節(jié)點(diǎn)配置幀起始包(STOF)及發(fā)送周期,，RN節(jié)點(diǎn)預(yù)先配置本節(jié)點(diǎn)使用的通道號(hào)和偏移時(shí)間；

    (2)總線節(jié)點(diǎn)初始化完成后,，CC節(jié)點(diǎn)按照周期廣播發(fā)送STOF包到總線上,，總線上其他 RN節(jié)點(diǎn)在收到STOF包后，表明新的一幀開始,；

    (3)總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取用戶寫入的數(shù)據(jù),，并通過添加ASM頭、健康狀態(tài)字,、心跳和VPC校驗(yàn)等內(nèi)容組成異步流包來保證數(shù)據(jù)的正確性和完整性^[6],。

    (4)當(dāng)時(shí)間偏移到來時(shí)，各節(jié)點(diǎn)將完整的異步流包按照預(yù)先的配置發(fā)往不同的通道,；節(jié)點(diǎn)接收總線數(shù)據(jù)時(shí),，獲取符合本節(jié)點(diǎn)通道號(hào)的異步流包，并完成數(shù)據(jù)校驗(yàn),，將校驗(yàn)正確的異步流包提交上層應(yīng)用并完成數(shù)據(jù)解析,。

2 總線優(yōu)點(diǎn)

    1394總線是在IEEE-1394b的基礎(chǔ)上建立的面向航空領(lǐng)域的總線標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)IEEE-1394b協(xié)議進(jìn)行確定性,、實(shí)時(shí)性和可靠性的約束,，以保證IEEE-1394b總線能夠滿足航空、航天等高安全等級(jí)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,。

    1394總線中由CC節(jié)點(diǎn)按照固定的幀周期廣播發(fā)送STOF包,，通知所有節(jié)點(diǎn)新的一幀的開始，由此完成總線同步。所有RN節(jié)點(diǎn)在收到STOF包后按照預(yù)先分配的偏移時(shí)間,，在時(shí)間窗口到來時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),，從而能夠提高總線的實(shí)時(shí)性。

    在1394總線中,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通道號(hào)都是由應(yīng)用根據(jù)體系結(jié)構(gòu)預(yù)先分配,，在總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)本身具有唯一的標(biāo)識(shí)且將節(jié)點(diǎn)號(hào)與通道號(hào)進(jìn)行綁定。節(jié)點(diǎn)之間通信采用異步流消息,，采用通道號(hào)尋址保證了總線通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性^[7],。

    總線采用的異步流包中，包含的縱向奇偶校驗(yàn)提供了消息傳輸過程中數(shù)據(jù)完整性的額外保障,，健康狀態(tài)字包含了節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息,，心跳字在新數(shù)據(jù)到來時(shí)依次遞增，確保數(shù)據(jù)更新,。通過以上多重?cái)?shù)據(jù)檢查,，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?sup>[8]。

3 總線發(fā)展

    在當(dāng)今電磁環(huán)境日益惡略,、電子對(duì)抗更加激烈的情況下,，提高機(jī)載電子系統(tǒng)的抗電磁干擾能力勢在必行。而解決這一問題的最根本辦法就是發(fā)展光傳系統(tǒng),，即應(yīng)用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)載總線的信號(hào)傳輸,。

    采用光纖作為1394總線信號(hào)傳輸介質(zhì)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,，能夠?qū)⒖偩€數(shù)據(jù)傳輸速率提高到S3200,。同時(shí)能夠有效防御電磁效應(yīng)、電磁干擾,，很大程度提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,。光纖自身的重量和體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜，極大地減小了傳輸線的重量和體積,，節(jié)省了機(jī)內(nèi)空間^[9],。因此采用光纖作為1394總線的傳輸介質(zhì)，已經(jīng)成為1394總線未來的發(fā)展方向,。

4 結(jié)論

    1394總線作為應(yīng)用于安全關(guān)鍵和任務(wù)關(guān)鍵領(lǐng)域的新型機(jī)載高速總線,，主要向航電系統(tǒng)提供高安全、高可靠,、強(qiáng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信服務(wù)^[10],。本文在1394總線發(fā)展的背景基礎(chǔ)上，通過分析總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、總線通信及總線特性,，介紹了1394總線的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展應(yīng)用,。對(duì)后續(xù)1394總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究，總線節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì),、應(yīng)用解決方案及1394總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考,。

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