航空電子光纖通道協(xié)議分析與接口卡設(shè)計(jì)

1、收稿日期:2009-12-30基金項(xiàng)目:國防 十一五 預(yù)研項(xiàng)目(B2720060300作者簡介:張志(1983 , 男, 吉林人, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)闇y控與嵌入式技術(shù); 翟正軍(1965 , 男, 河南洛陽人, 教授, 主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控與仿真技術(shù); 李想(1989 , 男, 航空電子光纖通道協(xié)議分析與接口卡設(shè)計(jì)張! 志1, 翟正軍1, 李! 想2(1. 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西西安! 710072; 2. 西安電子科技大學(xué)理學(xué)院, 陜西西安! 710071摘要:光纖通道(fi b re channe l 網(wǎng)絡(luò)具有低延遲、高帶寬、高可靠性等特性, 是新一代綜合式航空電子系

2、統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。在對光纖通道協(xié)議分析的基礎(chǔ)上, 研究并提出了適用于航空電子系統(tǒng)的光纖通道接口卡設(shè)計(jì)方案, 詳述了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn), 對航空電子系統(tǒng)中光纖通道的研究和應(yīng)用具有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞:光纖通道(FC ; 航空電子; 協(xié)議; 接口卡中圖分類號:TN 915! ! 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ! ! 文章編號:1000-8829(2010 02-0099-03Protocol Anal ysis and Interface Board D esign of Avionics F i bre ChannelZHANG Zh i 1, Z HA I Zheng jun 1, L I X iang

3、2(1. Schoo l of Co m puter Science , N o rt hwestern Po l y technical U niversit y, X i an 710072, Ch i na ;2. School o f Sc i ence , X i d i an U n i versity , X i an 710071, Chi naAbst ract :As av ion ics fi b re channel (FC net w or k has lo w latency , h i g h bandw i d th and high re liab ility

4、 , it isthe best cho ice o f next generation av ion ics data net w or ks . B ased on the ana l y sis of fi b er channel protoco , l a so l u ti o n of the FC interface board w hich is usefu l for av ion ics syste m s is researched and raised , and t h e key po i n ts o f the desi g n are introduced

5、i n detai. l The reference for future research and applicati o n o fFC i n av ion i c s syste m s is pr ov i d ed . K ey w ords :fibre channel (FC;av i o nics ; pr o toco; l i n terface boar d ! ! 光纖通道(FC , fiber channe l 是美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(ANSI的X3T11工作組于1988年提出的一種高速串行傳輸協(xié)議, 具有高帶寬、高實(shí)時(shí)性、高可靠性、擴(kuò)展性好、傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、

6、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)類型靈活、支持多種上層協(xié)議和底層傳輸介質(zhì)等特性。為了適應(yīng)航空電子環(huán)境的應(yīng)用, 光纖通道提供了一組在航空電子環(huán)境中應(yīng)用的協(xié)議子集FC AE (fi b re channel av ion ics env iron m ent 1。光纖通道技術(shù)在美國正在研制的新一代戰(zhàn)機(jī)和諸多現(xiàn)役飛機(jī)的改造中獲得應(yīng)用2, 已成為新一代先進(jìn)綜合式航空電子系統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)互連的首選方案。國內(nèi)對航空電子環(huán)境中光纖通道的應(yīng)用還處于預(yù)研階段, 航空電子光纖通道接口卡的研制還處于起步階段。采用光纖通道技術(shù)構(gòu)建航空電子系統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò),光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口卡作為航電子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的接口, 保證了航電系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的安全和可靠性

7、, 是構(gòu)建光纖通道網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。因此光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口卡的研制已成為一個現(xiàn)實(shí)而迫切的任務(wù)。以下在對光纖通道協(xié)議分析的基礎(chǔ)上, 研究并提出了適用于航空電子系統(tǒng)的光纖通道接口卡設(shè)計(jì)方案, 詳述了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn), 對航空電子光纖通道的研究和使用具有一定的借鑒意義。1! 航空電子光纖通道協(xié)議分析1. 1! 光纖通道協(xié)議結(jié)構(gòu)分析光纖通道將通道傳輸?shù)母咚傩院途W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)撵`活性兩種優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起, 可以在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行當(dāng)前流行的通道標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。光纖通道按協(xié)議層進(jìn)行分層, 各層之間技術(shù)相互獨(dú)立, 留有增長空間, 并且由被認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行開發(fā), 光纖通道協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。FC 0是光纖通道結(jié)構(gòu)的最低層, 定

8、義連接的物理特性; FC l 定義了傳輸協(xié)議, 包括串行編碼和解碼規(guī)#99#航空電子光纖通道協(xié)議分析與接口卡設(shè)計(jì)式, 以及幀格式、幀序列、通信協(xié)議和服務(wù)分類; FC 3對物理和信號(FC P H 層以上的高層協(xié)議提供了一套通用的公共通信服務(wù); FC 4是光纖通道協(xié)議結(jié)構(gòu)的最高層, 定義了光纖通道的應(yīng)用接口, 規(guī)定了上層協(xié)議到光纖通道的映射, 該層提供了在光纖通道上使用現(xiàn)有 的協(xié)議而不需要修改協(xié)議的方法。圖1! 光纖通道協(xié)議結(jié)構(gòu)1. 2! 航空電子光纖通道技術(shù)研究針對航空電子實(shí)時(shí)通信的特點(diǎn), 美國ANSI 編制了航空電子環(huán)境FC 協(xié)議(FC AE 3, 推薦了匿名消息傳輸(AS M 、虛擬接口(

9、VI 、FC 輕量協(xié)議(FC LP 和遠(yuǎn)程直接存儲器訪問(RD MA 、M I L STD 1553B 影射協(xié)議5種高層協(xié)議, 能共同使用且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光纖通道網(wǎng)絡(luò)特征, 具備了支持不同航空電子系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡(luò)能力。下面說明各個協(xié)議的特點(diǎn)。匿名消息傳輸(AS M 協(xié)議:具有消息傳輸安全、低延時(shí)的特點(diǎn), 適用于航空電子中處理器與傳感器、測試設(shè)備和顯示器間通信的應(yīng)用模式。%虛擬接口(VI 協(xié)議:具有低延時(shí)、高可靠的特點(diǎn), 支持航空電子系統(tǒng)各設(shè)備間的通信。&FC 輕量(FC LP 協(xié)議:具有低延時(shí)、高可靠、有效帶寬高的特點(diǎn), 支持航空電子系統(tǒng)各設(shè)備間的通信。遠(yuǎn)程直接存儲器訪問(RD MA 協(xié)議:具

10、有低延時(shí)的特點(diǎn), 采用了主從模式結(jié)構(gòu), 適合主計(jì)算機(jī)對共享存儲器和大容量存儲設(shè)備訪問模式。(M I L STD 1553B 影射協(xié)議:FC AE 1553B 基本遵循M I L STD 1553結(jié)構(gòu), 是為航空電子設(shè)備提供的一種集中控制命令/響應(yīng)應(yīng)用協(xié)議, 并為傳統(tǒng)的M I L STD 1553航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供兼容性支持和協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。2! 航空電子光纖通道接口卡設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)提出了一種基于光纖通道FC 協(xié)議芯片的航空電子光纖通道接口卡的實(shí)現(xiàn)方案。該方案為航空電子光纖通道接口卡的研制和工程應(yīng)用提供一定的參考, 具有一定通用性。2. 航空電子光纖通道接口卡主要由光纖通道接口協(xié)議芯片、PC I 接

11、口模塊、數(shù)據(jù)緩沖存儲器模塊、接口控制邏輯、大容量存儲器模塊、光纖通道接口模塊、程序加載模塊和調(diào)試/測試接口模塊組成。接口卡功能組成框圖如圖2所示。圖2! 航空電子光纖通道接口卡功能組成框圖各模塊的功能如下:光纖通道接口協(xié)議芯片:選用HKSFCFS 2G 協(xié)議芯片。該芯片是一款高集成度的系統(tǒng)芯片, 具有比特傳輸能力的光纖通道接口控制邏輯, 以及一系列外圍設(shè)備接口, 并集成了高性能的ARM 922T 處理器。%PC I 接口模塊:實(shí)現(xiàn)PC I 總線的接口協(xié)議, 光纖通道接口卡要求具有很高的實(shí)時(shí)性, 采用32bit 33MH z/66MH z PC I 總線, 支持DMA 傳輸。&數(shù)據(jù)緩沖存

12、儲器模塊:用于光纖通道協(xié)議芯片與PC I 接口模塊間的高速數(shù)據(jù)緩存, 保證高速連續(xù)大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊? 具有讀和寫同時(shí)進(jìn)行的能力。接口控制邏輯:實(shí)現(xiàn)光纖通道接口協(xié)議芯片、數(shù)據(jù)緩沖存儲器和PC I 接口模塊間的數(shù)據(jù)傳輸控制。(大容量存儲器模塊:用作嵌入式處理器的系統(tǒng)內(nèi)存。光纖通道接口模塊:包括串并轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊, 實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換并為光纖通道協(xié)議芯片提供并行數(shù)據(jù)接入電路。嵌入式處理器程序加載模塊:用于存儲嵌入式處理器執(zhí)行的固件數(shù)據(jù)和程序, 實(shí)現(xiàn)FC 3、FC 4協(xié)議。+調(diào)試/測試接口模塊:該模塊包括J TAG 接口電路、RS232接口驅(qū)動器和以太網(wǎng)接口電路, 用于實(shí)現(xiàn)對接口控制

13、邏輯和嵌入式處理器的調(diào)試。#100#, 測控技術(shù)2010年第29卷第2期2. 2. 1! 航空電子光纖通道協(xié)議實(shí)現(xiàn)航空電子光纖通道協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是接口卡實(shí)現(xiàn)的核心。需要考慮光纖通道傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和FC AE 頂層協(xié)議的靈活性等因素。航空電子光纖通道接口卡的實(shí)現(xiàn)首先需要確定各層協(xié)議軟硬件實(shí)現(xiàn)的交匯點(diǎn)和軟硬件協(xié)同工作的規(guī)則。FC 0、FC 1及FC 2在內(nèi)的底層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成幀, 需要大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理, 需由硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。FC 3、FC 4層協(xié)議和FC 2層的注冊功能主要提供幀頭的部分信息, 數(shù)據(jù)處理量較小且需要根據(jù)FC AE 不同的上層協(xié)議進(jìn)行靈活配置, 應(yīng)由嵌入式處理器軟件實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用的光纖通

14、道接口協(xié)議芯片集成的光纖通道接口控制器能夠處理全部FC 1層及部分FC 2層協(xié)議, 同時(shí)集成了高性能的ARM 922T 處理器, 為FC 3、FC 4層協(xié)議和FC 2層的注冊功能提供了軟件實(shí)現(xiàn)平臺。FC 0層協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換由專用光電轉(zhuǎn)換器件GB I C 實(shí)現(xiàn)。該協(xié)議芯片未提供將光電轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的功能, 故需要串化解串器件(serializer/deri a lizer 實(shí)現(xiàn)該功能。航空電子光纖通道接口卡明確了協(xié)議的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。通過將傳輸指令和有關(guān)高層協(xié)議包裝成一種新的幀格式的形式, 為FC AE 不同的上層協(xié)議提供了一種通用的傳輸方式, 在軟件應(yīng)用層上體現(xiàn)出其良好的兼容性

15、, 有效地平衡了航空電子光纖通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和FC AE 頂層協(xié)議的靈活性。2. 2. 2! 高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)由于設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)通信, 因此需要選用匹配的PCI 總線控制器。PC I 接口模塊實(shí)現(xiàn)光纖通道與主機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信, 設(shè)計(jì)中應(yīng)用PLX 公司的PC I9056實(shí)現(xiàn)總線控制。PC I 總線控制器實(shí)現(xiàn)了光纖通道與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。PC I9056是32B /66MH z 的通用主模式PC I 總線控制芯片, 符合PC I 總線規(guī)范2. 2版, 猝發(fā)傳輸速度為264M B /s, 具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 支持D MA 傳輸方式, 可減少CP U 在傳輸中的干預(yù)

16、, 大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。進(jìn)一步設(shè)計(jì)中將使用64B /66MH z 的主模式PCI 控制器, 提高傳輸速率。在接口芯片PC I9056中用于D MA 的內(nèi)部FI FO 容量只有64L W ord 大小, 遠(yuǎn)不能滿足高速連續(xù)大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊? 必須在外部添加高速緩沖存儲器模塊, 同時(shí)緩沖存儲器模塊必須有讀和寫同時(shí)進(jìn)行的能力。選用大容量雙端口存儲器可為高速數(shù)據(jù)提供足夠的緩沖區(qū)。同時(shí)由于雙端口存儲器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫控制線路, 可進(jìn)行并行的獨(dú)立操作, 有效解決了緩沖存儲器模塊讀和寫同時(shí)進(jìn)行問題。本設(shè)計(jì)選用兩片I D 3! 結(jié)束語隨著航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展, 光纖通道技術(shù)成為新一代綜合式航空電

17、子系統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的首選。以上在對光纖通道協(xié)議分析的基礎(chǔ)上, 研究并提出了適用于航空電子系統(tǒng)的光纖通道接口卡的解決方案, 給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案, 并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討, 對航空電子光纖通道的研究和使用具有一定的借鑒意義。參考文獻(xiàn):1! U S A:T 11T echnical Comm ittee . F i bre channe l av i on i cs env iron m en t(FC A E, R ev . 2. 4S.2004. 2! 黃浩益, 黃棟杉, 徐曉飛. 光纖通道技術(shù)在航電系統(tǒng)中的應(yīng)用J. 航空電子技術(shù), 2005, 36(3:9-14.3! 黃永葵. 光纖通道標(biāo)準(zhǔn)

18、及其在航空電子中的應(yīng)用J.航空電子技術(shù), 2003, 34(4.(上接第98頁表3! 溫濕值測試結(jié)果實(shí)際溫度值/測量溫度值/誤差/實(shí)際濕度值/%RH 測量濕度值/%RH誤差/%R H 2524. 60. 45452. 21. 22727. 90. 95048. 51. 52930. 31. 34243. 91. 93131. 60. 63032. 12. 15! 結(jié)束語以上對一款低功耗無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研制進(jìn)行了論述, 并針對實(shí)際應(yīng)用給出了切實(shí)可行的降低功耗的策略和措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 本系統(tǒng)在波特率38. 4kb /s情況下, 在空曠地有效控制距離達(dá)到200m 。而且前端在CR2477紐扣電池供電情況下可維持2個月以上, 溫濕