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工程Nemo_o
2015-12-3 12:11:05 显示全部楼层

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航空航天数据总线技术综述(二)

在 上一期的“航空航天数据总线技术发展综述(一)”中,我们主要介绍了MIL-STD-1553B、ARINC429、MIL-STD1773、 ARINC629、CAN总线等中低速的航空航天数据总线技术,本期将针对IEEE1394、FDDI、LDPB及SpaceWire等部分中高速数据总 线技术进行详细介绍。


1. IEEE1394总线

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IEEE1394是 由IEEE制定的一种高性能串行总线标准,又名火线(FireWire)。IEEE 1394协议分为1394a、1394b等,其中1394b可支持高达3.2 Gbps传输速率,并支持光纤传输。IEEE1394作为商用总线,近年来发展迅速,不仅在工业和测控领域被广泛应用,而且已经逐步深入到航空航天及军事 应用领域。

基于1394b的光纤总线系统具有计算能力强、吞吐量大、可靠性高、易于扩展、维护方便、且支持点对点通信、广播通信及支持热插拔等优点,为多模态传感系统、在线实时检测和视频图像传输提供了广阔的空间。

因此,基于1394b光纤总线的军事应用,对于提高武器系统打击精度、机动性和快速性具有重要意义。IEEE1394b已经使用在军用飞机上,并作为F22猛禽战机上的视频总线,同时也在F35上有所使用。


2. FDDI总线

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光 纤分布式数据接口( FDDI: Fiber Distributed Data Interface) 高速总线由美国海军研究中心提出,由美国国家标准局(ANSI)于1989年制定的一种用于高速局域网的MAC标准。FDDI是一种按令牌协议传输信息、 实现分布式控制、分布式处理的光纤介质总线网络系统。“令牌”是一个特别定义的信息帧,只有令牌明确寻址的终端才可在总线上发送信息,对总线上每个终端都 给定一个握有令牌的时间期,在终端握有令牌的时间期内, 终端主控工作, 可发送信息给其他终端。

FDDI传 输速率可达100Mbps,FDDI具有传输速率高、传输距离长、覆盖范围大、可靠性高、安全性高、支持可动态分布传输的特点,因此在上世纪90年代作为 先进的光纤组网技术得到了发展与应用。FDDI主要用于海军作战系统,已经应用于舰载作战情报指挥系统(C3I)的海军第三代ZKJ-7上,并且还应用于 国际空间站中。


3. LTPB总线技术

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LTPB(LinearToken Passing Bus)是 由国际自动机工程师学会(SAE International)制定的军用数据总线,定义了令牌消息、站管理消息、数据消息三种消息类型,其数据传输速率为50Mbit/s,最多可连接 128个终端,消息最大长度为4096个字。从物理上看,LTPB是星型拓扑结构,易于监控网络上信息的传送及整个网络的状态,从逻辑上看,它按站点地址 递增顺序形成环型拓扑结构。

线性令牌传输数据总线( LTPB)采用令牌传输协议,不需总线控制器,实现了真正的分布式控制、分布式处理。LTPB总线技术采用光纤传输介质,具有很强的抗电磁干扰能力,其传输总线为广播式总线。

LTPB对应的标准为SAE AS4074.1,应用于RAH-66、F-22“猛禽”第4代战斗机中。


4. SpaceWire总线

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SpaceWire是 欧洲航天局开发的一种高速、点对点、全双工的串行总线网络,以IEEE1355-1995 和LVDS 两个商业标准为基础,汲取了1394技术、ATM技术、以太网技术的优点,同时考虑了空间应用的特点,在故障检测与时间确定性方面做了加强。 SpaceWire最高速度可以达到400Mbps,是目前在航天领域应用较广泛的高速数据总线,已成功应用于火星探测器“Mars Express”项目、彗星探测器“Rosetta Spacecraft”项目和地球环境遥感卫星“Cryosat”项目等。

SpaceWire采 用点到点连接的结构,在同一网络中可以同时使用多条总线,其网络拓扑具有很高的自由度。SpaceWire得到较广泛的应用不仅是由于它是一种简单、可 靠、低功耗数据传输技术,另外他也采用了符合当前数据传输发展方向的包交换技术。相比与CSMA/CD以太网、IEEE1394等总线型数据传输技术中数 据速率不可能超过连接性能的情况,其优点是网络中节点的增加不会导致节点可用带宽的降低,为系统的扩展提供了充分的余地。

SpaeceWire网络是一种正在不断发展、完善中的高速数据传输技术,新的补充协议加入到协议簇中,新的应用产品也不断出现。这种采用交换机制的高速串行全双工技术为载荷数据处理系统向低功耗、可靠、可重用新结构的发展提供了有效的手段。


5. 中高速数据总线对比

各 种总线的对比分析如下表所示,尽管IEEE1394目前还没有被广泛应用,但是其在数字成像领域内的重要作用已经为世人所关注;FDDI和LTPB总线不 但都实现了高速化和光纤化,而且是完全的分布式控制模式,且FDDI技术已得到商业领域的广泛应用与验证,较LTPB技术风险小、投资少、研制周期短,但 100Mbps的传输速率也越来越不能满足更高速的数据传输;从欧美对这些高速总线的应用与研究情况来看,航天领域尤其深空探测领域使用较多的高速总线是 SpaceWire总线,但传输距离较短,最大只有10米。

表1.各种总线对比分析
类目
IEEE1394
FDDI
LTPB
SpaceWire
拓扑结构
点对点、总线型
反向双环网
星型、环型
点对点、星型
传输速率
1.6Gbps、3.2Gbps、800Mbps
100Mbps
50Mbps
2至400Mbps
传输距离
4.5m
最大距离2km
最大距离1km
10m
传输介质
光纤
光纤
光纤
光纤高
特点
计算能力强、吞吐量大、可靠性高、易于扩展、维护方便
传输速率高、传输距离长、覆盖范围大、可靠性高、安全性高、支持可动态分布传输
强容错和系统重构能力,抗电磁干扰
结构简单、可靠性、低功耗

6. 结语

航空航天电子系统选用数据总线的基础是该总线标准是否满足系统的通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求。本期详细介绍了IEEE1394、 FDDI、LDPB、SpaceWire等部分高速航空航天数据总线,并对所介绍中高速数据总线进行了对比分析。



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