0 引言

    機載電子系統(tǒng)在近六十年的發(fā)展過程中,，經歷了分立式、聯(lián)合式,、綜合式和先進綜合式4個階段,，信息綜合程度的不斷提高，對新型機載總線提出了更高的要求^[1],。1394總線是目前較先進的航空電子網(wǎng)絡技術之一,，它具有傳輸實時性、可靠性和確定性等特點,，可滿足當前航空電子系統(tǒng)對于機載總線的需求^[2],。

    1986年蘋果公司為了取代當時并不普遍的SCSI接口，研究出一種高速數(shù)據(jù)傳輸接口技術,，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)正式制定1394總線標準,，即IEEE Std 1394-1995，分別在2000和2002年針對總線控制性,，仲裁和故障容錯等性能進行了改進,、發(fā)布了IEEE1394a-2000和IEEE1394b-2002協(xié)議。

    2004年,，SAE為了滿足機載網(wǎng)絡對于可靠性,、實時性、容錯性并且保證帶寬等方面的高要求,，在IEEE1394b協(xié)議的基礎上作了修改和裁剪,，提出了SAE AS5643協(xié)議。該協(xié)議對IEEE-1394b規(guī)范進行裁剪和約束,，通過數(shù)據(jù)傳輸,、總線同步和容錯等關鍵技術實現(xiàn)了機載電子系統(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鍵/任務關鍵系統(tǒng)中得到應用。

    出于政治,、軍事,、經濟等原因，國內無法獲取完整的1394總線技術資料,，對AS5643協(xié)議標準研究不足,，缺失協(xié)議實現(xiàn)方法的研究，沒有協(xié)議處理解決方案,，導致缺乏可使用的總線相關產品。因此目前1394總線技術的應用多以民用技術為主,，主要使用在民用領域和地面仿真系統(tǒng),。

1 技術分析

    1394總線在IEEE-1394總線協(xié)議的基礎上，采用靜態(tài)配置,、帶寬分配和嚴格時間觸發(fā)通信調度機制等策略,，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,、縱向奇偶校驗等方法并結合IEEE-1394b協(xié)議特有的環(huán)檢測和環(huán)斷開機制提高整個總線的容錯能力，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)點為單位組成通信網(wǎng)絡,，一個基本的1394總線系統(tǒng)由總線控制計算機(Control Computer，簡稱CC)節(jié)點,、遠程節(jié)點(Remote Node,，簡稱RN)、總線監(jiān)控節(jié)點(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)結構,，能夠完成基本的網(wǎng)絡通信,。

    節(jié)點CC節(jié)點作為1394總線的節(jié)點控制器，按周期發(fā)送幀起始（STOF）消息,，通知總線上所有節(jié)點新的一幀開始,，通過STOF消息完成同步總線。RN節(jié)點作為遠程終端,，根據(jù)總線通道預分配,，將不同的節(jié)點ID和通道號進行綁定。RN節(jié)點在收到STOF消息后,，確認新的一幀開始,，并按照預分配的時間偏移和帶寬，在自身節(jié)點時間偏移到來時發(fā)送數(shù)據(jù),。

    BM節(jié)點作為總線監(jiān)控設備,，作為葉子節(jié)點掛接在總線上,，能夠監(jiān)控總線上其他節(jié)點發(fā)出的網(wǎng)絡管理消息和普通數(shù)據(jù)消息。通過總線監(jiān)控,，能夠對總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時和事后數(shù)據(jù)分析,，為機載電子設備的開發(fā)提供了更方便的手段。

    總線上各個節(jié)點之間通過1394線纜連接,，1394總線線纜是一種物理通信媒介,，是網(wǎng)絡信號傳輸?shù)妮d體。1394線纜通過連接器與模塊進行連接,，通過連接器實現(xiàn)不同子系統(tǒng)的中轉接口,。當節(jié)點之間距離過長時，會導致傳輸信號衰減過大,，由此需要通過1394總線中繼器來完成信號的增強,。

1.2 拓撲結構

    總線的拓撲形式主要依據(jù)航空電子系統(tǒng)的安全性等級來確定，AS5643協(xié)議根據(jù)IEEE-1394b協(xié)議本身支持的拓撲結構并結合型號應用特點推薦了3種總線構型,，分別為樹狀拓撲,、環(huán)形拓撲和三余度環(huán)形拓撲^[5]。

    圖3展示了一種三余度拓撲結構,，每條余度內包含兩條環(huán)形拓撲和一條樹形拓撲,。

    在環(huán)形拓撲內，IEEE-1394b協(xié)議提供的環(huán)檢測和環(huán)斷開功能能夠自動檢測總線拓撲是否存在環(huán)路,，若檢測到環(huán)路,，則自動禁止某兩個端口間的連接，斷開環(huán)路形成樹狀拓撲,。如果任意一個節(jié)點失效,，那么總線將故障節(jié)點自動重構為新樹結構的末端，使其不影響其他節(jié)點間的通信,，為系統(tǒng)提供第一級容錯能力,。

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

1.3 通信機制

    1394總線通信基于固定幀速率和預分配帶寬實現(xiàn)節(jié)點消息的周期定時發(fā)送機制，采用STOF包進行總線同步,，使用異步流包進行數(shù)據(jù)交互,，同時通過對異步流包格式的進一步定義增加總線管理和故障監(jiān)控功能。

    消息通信機制如圖4所示,，1394總線通信原理如下：

    (1)總線初始化過程中,，CC節(jié)點配置幀起始包(STOF)及發(fā)送周期，RN節(jié)點預先配置本節(jié)點使用的通道號和偏移時間；

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

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

    (4)當時間偏移到來時，各節(jié)點將完整的異步流包按照預先的配置發(fā)往不同的通道,；節(jié)點接收總線數(shù)據(jù)時,，獲取符合本節(jié)點通道號的異步流包，并完成數(shù)據(jù)校驗,，將校驗正確的異步流包提交上層應用并完成數(shù)據(jù)解析。

2 總線優(yōu)點

    1394總線是在IEEE-1394b的基礎上建立的面向航空領域的總線標準,，是對IEEE-1394b協(xié)議進行確定性,、實時性和可靠性的約束，以保證IEEE-1394b總線能夠滿足航空,、航天等高安全等級領域的應用需求,。

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

    在1394總線中，每個節(jié)點的通道號都是由應用根據(jù)體系結構預先分配,，在總線上各個節(jié)點本身具有唯一的標識且將節(jié)點號與通道號進行綁定,。節(jié)點之間通信采用異步流消息，采用通道號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)點的狀態(tài)信息,，心跳字在新數(shù)據(jù)到來時依次遞增,，確保數(shù)據(jù)更新。通過以上多重數(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

    在當今電磁環(huán)境日益惡略、電子對抗更加激烈的情況下，提高機載電子系統(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),，即應用光纖技術實現(xiàn)機載總線的信號傳輸。

    采用光纖作為1394總線信號傳輸介質,，將電信號轉換為光信號進行數(shù)據(jù)的傳輸,，能夠將總線數(shù)據(jù)傳輸速率提高到S3200。同時能夠有效防御電磁效應,、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遠小于電纜,，極大地減小了傳輸線的重量和體積,，節(jié)省了機內空間^[9]。因此采用光纖作為1394總線的傳輸介質,，已經成為1394總線未來的發(fā)展方向,。

4 結論

    1394總線作為應用于安全關鍵和任務關鍵領域的新型機載高速總線，主要向航電系統(tǒng)提供高安全,、高可靠,、強實時的數(shù)據(jù)通信服務^[10]。本文在1394總線發(fā)展的背景基礎上,，通過分析總線網(wǎng)絡拓撲,、總線通信及總線特性，介紹了1394總線的技術特點及發(fā)展應用,。對后續(xù)1394總線網(wǎng)絡協(xié)議的研究,，總線節(jié)點模塊設計、應用解決方案及1394總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計提供參考,。

參考文獻

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