鐘 杰,何 民2,王懷勝,鄭 力

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.海軍駐中國(guó)西南電子技術(shù)研究所軍代室，成都 610036)

1 引 言

新一代航空電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于許多技術(shù)的突破，而高速多路傳輸總線接口技術(shù)是新一代航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。航空電子綜合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要取決于更通用的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，并要求數(shù)據(jù)總線具有高度的分布式處理能力和高吞吐率。此外，數(shù)據(jù)總線本身還應(yīng)具有抗各種干擾的能力，從而提高其在惡劣環(huán)境中的生存能力和安全性。

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switched Ethernet,AFDX)技術(shù)基于IEEE 802.3以太網(wǎng)和TCP/IP通用原理，利用商用貨架(COTS)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)備間的數(shù)據(jù)高速通信，AFDX與普通商用以太網(wǎng)最大的不同點(diǎn)在于AFDX采用了虛擬鏈路技術(shù)和冗余管理，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头?wù)質(zhì)量。

近年來(lái)，隨著AFDX在空客A-380平臺(tái)上的成功應(yīng)用，AFDX得到了航空電子綜合技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛重視。在航空技術(shù)比較先進(jìn)的發(fā)達(dá)國(guó)家，出現(xiàn)了一系列具有較強(qiáng)研究與應(yīng)用價(jià)值的成果以及較多的產(chǎn)品[1～3]。在國(guó)內(nèi)，也引起有關(guān)航空電子技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商的高度重視，并積極展開(kāi)該領(lǐng)域廣泛的研究[4]。

下面從系統(tǒng)集成角度來(lái)著重分析AFDX在相應(yīng)的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路(MAC)層的組成、構(gòu)架及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。

2 AFDX協(xié)議分析

圖1描述了AFDX協(xié)議與涉及的OSI模型、IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系。從圖1可以看出，AFDX是基于商業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用IEEE802.3/IP/UDP協(xié)議的大部分內(nèi)容，并根據(jù)航空電子系統(tǒng)集成的實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化的通信協(xié)議，是一個(gè)用于航空電子設(shè)備集成的系統(tǒng)通信接口協(xié)議。AFDX協(xié)議按照層次劃分，可以分為傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路(MAC)層和物理層4層。

圖1 AFDX協(xié)議與OSI模型Fig.1 AFDX protocol and OSI model

2.1 信息處理流程

整個(gè)AFDX協(xié)議棧主要作用是有效、及時(shí)地封裝處理接口端的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。AFDX的信息流程包含在鏈路層中。當(dāng)在AFDX端口間傳送信息時(shí)，牽涉到發(fā)送端口、AFDX交換機(jī)和接收端口的協(xié)同工作，并配置合理的地址，使信息到達(dá)需要到達(dá)的端口。圖2為AFDX信息處理流程。M信息被航空電子子系統(tǒng)送入端口1，在AFDX端口1進(jìn)行規(guī)定的封裝，形成以太網(wǎng)幀格式，并通過(guò)虛擬鏈接地址100發(fā)送到AFDX交換機(jī)中；通過(guò)AFDX交換機(jī)的前向隊(duì)列表的配置，把M信息傳送到AFDX接收端口2；在AFDX接收端口2對(duì)M信息進(jìn)行解包處理，最終把M信息送入需要的航空電子子系統(tǒng)中。在AFDX網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要的特性是網(wǎng)絡(luò)信息包中所涉及的虛擬鏈接ID號(hào)在AFDX端口中是一致的。AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用虛擬鏈接ID號(hào)來(lái)選擇預(yù)定的路由。因此，虛擬鏈接使信息包從源頭送到固定的目的地。從圖2可以看出：從源端系統(tǒng)1發(fā)送一個(gè)帶有虛擬鏈接ID號(hào)的以太網(wǎng)幀信息到AFDX網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)AFDX交換機(jī)轉(zhuǎn)送到預(yù)先設(shè)定好目的地址的端系統(tǒng)2和3。

圖2 AFDX信息處理流程Fig.2 Message sent to Port 1 by the avionics subsystem

接收協(xié)議棧主要處理從AFDX端口接收的信息，其信息接收解包流程如圖3所示。首先，接收以太網(wǎng)幀格式信息，在虛擬連接層利用幀校驗(yàn)序列(FCS)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，去掉FCS后的AFDX幀進(jìn)行完整性檢測(cè)和冗余管理檢測(cè)。生成的IP幀信息進(jìn)行IP網(wǎng)絡(luò)層的解包處理，IP網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)IP校驗(yàn)、檢測(cè)和UDP幀的重組。最后，通過(guò)UDP傳輸層把AFDX信息送到合適的UDP端口。

圖3 AFDX接收解包過(guò)程Fig.3 AFDX Rx protocol stack

發(fā)送協(xié)議棧主要處理信息按AFDX信息格式發(fā)送到AFDX端口,其信息封裝流程如圖4所示。UDP傳輸層主要負(fù)責(zé)添加UDP報(bào)頭，包括信息源和目的端的UDP端口地址；在AFDX通信狀態(tài)下，這些UDP端口地址通常是設(shè)置好、固定不變的，只有在維修端口，其IP地址和UDP地址是動(dòng)態(tài)分配的。IP網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)接收UDP幀和確定是否需要進(jìn)行IP分區(qū)，IP網(wǎng)絡(luò)層采用適當(dāng)?shù)奶摂M鏈接來(lái)確定分區(qū)是否必要，對(duì)每一個(gè)分區(qū)進(jìn)行IP頭和校驗(yàn)和的封裝，IP網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)以太網(wǎng)幀格式的封裝。虛擬鏈接層負(fù)責(zé)安排以太網(wǎng)格式信息的發(fā)送，并添加到發(fā)送順序隊(duì)列中，該發(fā)送的信息格式還需通過(guò)檢測(cè)是否重復(fù)、信息格式中以太網(wǎng)地址是否已進(jìn)行更新等冗余管理單元后才能發(fā)送到AFDX網(wǎng)絡(luò)中。

圖4 AFDX發(fā)送打包過(guò)程Fig.4 AFDX Tx protocol stack

從圖5可以看出，在AFDX數(shù)據(jù)格式負(fù)載段中包含多個(gè)報(bào)頭。IP信息包(報(bào)頭和數(shù)據(jù)負(fù)載)組成AFDX以太網(wǎng)數(shù)據(jù)負(fù)載段。UDP信息包(報(bào)頭和數(shù)據(jù)負(fù)載)組成IP信息包，UDP的數(shù)據(jù)段由相關(guān)航空電子子系統(tǒng)的信息組成。當(dāng)有用信息的長(zhǎng)度小于18 byte時(shí)，需要在有用信息后添加字節(jié)，重組為18 byte的數(shù)據(jù)段；當(dāng)有用信息的長(zhǎng)度大于或等于18 byte，不需添加任何字節(jié)。IP報(bào)頭一個(gè)重要功能是為超長(zhǎng)的UDP信息包提供分段控制。IP報(bào)頭中包含有目的端口的識(shí)別碼和分區(qū)識(shí)別符，或者多點(diǎn)傳送地址。IP目的地址中還包含虛擬鏈接目的地址和ID號(hào)。UDP報(bào)頭中包含信息源和目的地的UDP端口號(hào)。一般情況下，通過(guò)這些地址信息，AFDX可以把某信息從源地安全發(fā)送到目的地。

圖5 AFDX數(shù)據(jù)格式Fig.5 AFDX frame and sequence number

2.2 虛擬鏈接

AFDX的虛擬鏈接調(diào)度機(jī)制包含在鏈路層中。虛擬鏈接調(diào)度機(jī)制有效分割帶寬資源，可實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s連接網(wǎng)速的物理層可支持多個(gè)虛擬鏈接。在共用一個(gè)物理帶寬時(shí)，為了防止不同虛擬鏈接間發(fā)生沖突和干擾，AFDX設(shè)計(jì)了虛擬鏈接調(diào)度機(jī)制。圖6描述了信息在虛擬鏈接中的工作機(jī)制。

圖6 虛擬鏈接的工作機(jī)制Fig.6 Virtual link scheduling mechanism

在發(fā)送端,采用流量整形機(jī)制在虛擬鏈接間分配通信資源,即對(duì)每一具體的虛擬鏈接需分配可用帶寬分配間隔(BAG)和最大發(fā)送的幀長(zhǎng)(Lmax)，可用帶寬分配間隔規(guī)定了某個(gè)虛擬鏈接向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送以太網(wǎng)幀信息的最小間隔，而最大發(fā)送的幀長(zhǎng)則規(guī)定了某個(gè)虛擬鏈接的最大傳輸速率。流量整形同時(shí)限制了虛擬鏈接的突發(fā)度，決定了聚合流量最壞條件下的排隊(duì)延遲界限。

虛擬鏈接主要由VL參數(shù)、路徑隊(duì)列、SubVL隊(duì)列和VL輸出隊(duì)列組成。其中，VL參數(shù)主要包括VL的IP、BAG和Lmax；SubVL隊(duì)列則是用于描述通過(guò)VL傳輸?shù)南⒓?；而VL輸出隊(duì)列用于描述SubVL到VL的數(shù)據(jù)包輸出排隊(duì)的情況，也相應(yīng)地封裝了FIFO、RR等調(diào)度算法，可以根據(jù)用戶定義選擇相應(yīng)的調(diào)度算法。

每一個(gè)發(fā)送到AFDX端口的信息都涉及到虛擬鏈接。信息在送到通信端口的過(guò)程中已經(jīng)用UDP、IP和以太網(wǎng)的報(bào)頭進(jìn)行了封裝，并放在合適的虛擬鏈接隊(duì)列中等待發(fā)送，該過(guò)程主要由每個(gè)AFDX端口的虛擬鏈接調(diào)度控制器完成。在接收端的虛擬鏈接與應(yīng)用層的接口，提供采樣和隊(duì)列兩種形式的端口，采樣口和隊(duì)列口的差別主要是在接收處理過(guò)程的不同。

采樣口只能緩沖存儲(chǔ)一條消息；要到達(dá)的消息將覆蓋當(dāng)前在緩沖區(qū)的消息，而不管它是否已被應(yīng)用程序讀?。涣硪环矫妫瑥牟蓸涌谧x取消息的時(shí)候，并不能有效清除緩沖區(qū)的內(nèi)容，因此，可以反復(fù)讀取，為了描述采樣口緩沖區(qū)內(nèi)容的新舊，必須提供一個(gè)刷新標(biāo)志，當(dāng)這個(gè)標(biāo)志有效時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前在通信口緩沖區(qū)中的消息是新的。采樣口具有最新覆蓋的特性，適用于交換狀態(tài)消息。

隊(duì)列口具有相對(duì)充足的緩沖區(qū)，可以緩存一定數(shù)量的消息，新消息被填充到隊(duì)列中，從隊(duì)列中按照先進(jìn)先出(FIFO)的規(guī)則讀取消息，并將讀取的消息從隊(duì)列移出。隊(duì)列口適合于傳輸非周期數(shù)據(jù)。

2.3 冗余管理

AFDX的冗余管理機(jī)制包含在鏈路層中,冗余鏈路的設(shè)置保證了數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)目煽啃?。在一個(gè)AFDX系統(tǒng)中，通常有兩個(gè)獨(dú)立的虛擬交換網(wǎng)絡(luò)，每一幀在AFDX端口都分別被發(fā)送到這兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)中，所以，在接收端將接到描述同一信息的兩個(gè)幀包。

在AFDX中依靠虛擬鏈接調(diào)度機(jī)制所發(fā)送的幀中都包含一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)，該序列號(hào)的作用是描述一幀的完整性、重復(fù)性和有效性，AFDX檢測(cè)該序列號(hào)進(jìn)行冗余管理。

每個(gè)AFDX接收端口需要識(shí)別在不同網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的幀。通過(guò)檢測(cè)接收到的每幀序列號(hào)內(nèi)容來(lái)判斷該幀的完整性、有效性。有關(guān)AFDX的冗余管理機(jī)制如圖7所示。從鏈路層傳入的數(shù)據(jù)幀先要進(jìn)行完整性檢查，只有當(dāng)序列號(hào)符合要求時(shí)，數(shù)據(jù)幀才會(huì)被提交給冗余管理機(jī)制模塊。接收端的冗余管理機(jī)制，是將接收到的幀與其冗余幀進(jìn)行比較，來(lái)確定是否接收該幀。

圖7 冗余管理機(jī)制Fig.7 Redundancy management mechanism

冗余管理機(jī)制模塊采用簡(jiǎn)單的“先到為勝”的方法來(lái)過(guò)濾數(shù)據(jù)的重復(fù)拷貝，即接收兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中先傳入的數(shù)據(jù)拷貝，而丟棄后傳入的拷貝。冗余管理機(jī)制可以有效地保證數(shù)據(jù)幀向上層應(yīng)用程序傳輸實(shí)時(shí)性、可靠性。

冗余管理機(jī)制的構(gòu)造一般基于SkewMax變量，SkewMax是指兩個(gè)鏈路上的冗余幀發(fā)送的最大時(shí)間間隔。在理想狀態(tài)下兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞程度相同，所以在到達(dá)接收端時(shí)冗余幀之間的時(shí)間間隔不發(fā)生變化。接收端的冗余管理機(jī)制，是將接收到的幀與其冗余幀進(jìn)行比較，來(lái)確定是否接收該幀。如果SkewMax的值越大，冗余幀到達(dá)的時(shí)間就越晚，那么需要的緩存隊(duì)列也就越長(zhǎng),這無(wú)疑增加了接收端系統(tǒng)的資源占用量。同時(shí)，系統(tǒng)在接收到冗余幀后，需要先在緩存隊(duì)列中查找出該幀，然后再與其冗余幀進(jìn)行比對(duì)。隨著緩存隊(duì)列的增加，查找的速度也會(huì)變慢。所以，SkewMax限定的越小，接收端系統(tǒng)的資源占用就越小。假設(shè)B鏈路上到達(dá)幀的冗余幀在A鏈路上到達(dá)幀的后續(xù)幀之前到達(dá)接收端,那么，接收端系統(tǒng)的緩存隊(duì)列只需要存儲(chǔ)一個(gè)幀，對(duì)于剛到達(dá)接收端系統(tǒng)的幀只需要與緩存中的一個(gè)幀進(jìn)行比較，就可以確定到達(dá)幀的處理方式。這無(wú)疑減少了接收端系統(tǒng)的資源占用量，簡(jiǎn)化了接收端的冗余算法。因?yàn)镾kewMax主要是由數(shù)據(jù)幀在發(fā)送端，以及經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí)的排隊(duì)等待引起的，因此是不可避免的，所以準(zhǔn)確地限定SkewMax變量對(duì)于提高接收端的效率、保證通信的實(shí)時(shí)性是十分重要的。

3 實(shí)現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

采用AFDX協(xié)議構(gòu)建的航空電子數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括以下部分：

(1)航空電子綜合計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)：機(jī)載的傳統(tǒng)航空電子子系統(tǒng)如飛行控制計(jì)算機(jī)、全球定位系統(tǒng)、胎壓監(jiān)控系統(tǒng)等，通過(guò)綜合計(jì)算機(jī)來(lái)整合各類航空電子子系統(tǒng)，并為各類航空電子子系統(tǒng)提供一個(gè)計(jì)算和AFDX端口的環(huán)境；

(2)AFDX端口：提供每一個(gè)航空電子綜合計(jì)算機(jī)與AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的連接方式，通過(guò)AFDX端口，實(shí)現(xiàn)各航空電子子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸；

(3)AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)部全雙工網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換，它的主要功能是構(gòu)建一個(gè)機(jī)載內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并把相關(guān)數(shù)據(jù)信息及時(shí)地傳送到不同的航空電子子系統(tǒng)或設(shè)備中。

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)構(gòu)成

圖8為AFDX交換機(jī)硬件原理框圖。交換機(jī)核心控制芯片采用AMCC公司的PowerPC 440EP，AFDX接口實(shí)現(xiàn)芯片采用Xilinx公司的FPGA Virtex-5 FXT，SRAM芯片采用Cypress公司的產(chǎn)品作為交換機(jī)共享存儲(chǔ)器，嵌入操作系統(tǒng)選用Windriver公司的VxWorks，PowerPC 440EP作為SNMP的代理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和交換機(jī)與其它AFDX接口的交互；通過(guò)PowerPC 440EP將連接參數(shù)表配置到各FPGA內(nèi)部寄存器的方式來(lái)完成Virtex-5 FXT芯片的配置。交換機(jī)的管理包括配置管理、端口管理、VL管理、性能管理和故障管理。配置管理用于設(shè)置系統(tǒng)屬性、運(yùn)行時(shí)間和交換機(jī)工作狀態(tài)等；端口管理包括更改端口名、工作狀態(tài)和工作速率等；VL管理包括VL資源的分配及VL表項(xiàng)信息的更新；性能管理負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)端口輸入分組數(shù)、輸出分組數(shù)、單播和多播分組數(shù)等；故障管理主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并給出告警信息。交換機(jī)的初始化和配置主要由硬件完成，管理功能由軟件實(shí)現(xiàn)。

圖8 AFDX交換機(jī)原理框圖Fig.8 AFDX switch principle

3.2.2 AFDX端口的實(shí)現(xiàn)

AFDX端口的實(shí)現(xiàn)分為：AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的AFDX端口實(shí)現(xiàn)，采用Xilinx公司的FPGA Virtex-5 FXT；航空電子分系統(tǒng)的AFDX端口采用Xilinx公司的FPGA Virtex-4 FX[5]。AFDX協(xié)議棧中IP層以下由上述FPGA芯片硬件實(shí)現(xiàn)，其中完整性檢測(cè)、冗余管理、虛擬鏈接打包和解包，以及帶寬控制都由硬件實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)FPGA芯片內(nèi)部的嵌入PowerPC進(jìn)行加載。同時(shí)，嵌入PowerPC還需處理IP層及以上協(xié)議。采用這樣的設(shè)計(jì)方案最大的優(yōu)點(diǎn)是AFDX端口的性能具有可優(yōu)化和可測(cè)試性，滿足不同應(yīng)用的需求。

上述兩個(gè)芯片的接收電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如9所示。在FPGA中以太網(wǎng)媒介接入控制功能塊接收輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢測(cè)；冗余管理功能塊通過(guò)先進(jìn)先出緩存器從完整性檢測(cè)器中讀取數(shù)據(jù)，并在確定該數(shù)據(jù)的唯一有效性后，分別傳送到嵌入PowerPC和虛擬鏈接管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行下一步的處理。由于協(xié)議要求對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)管理功能進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，因此，在AFDX實(shí)現(xiàn)中，需要保持完整性檢測(cè)和冗余管理與每一個(gè)的虛擬鏈接管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。

圖9 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)AFDX接收原理框圖Fig.9 AFDX receive path in FPGA

FPGA芯片的發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如10所示。航空電子子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA芯片內(nèi)的嵌入PowerPC的打包處理，變成虛擬鏈接所規(guī)定的幀格式通過(guò)其調(diào)度程序發(fā)送到FIFO中等待處理；FPGA芯片中的規(guī)則控制器從FIFO中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)并根據(jù)虛擬鏈接的帶寬來(lái)動(dòng)態(tài)分配可用帶寬間隔和信號(hào)時(shí)鐘的抖動(dòng)門限；再通過(guò)冗余處理，相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀被分成兩路進(jìn)入以太網(wǎng)媒介接入控制功能塊及物理接口發(fā)送出去。

圖10 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)AFDX發(fā)射原理框圖Fig.10 AFDX transmit path in FPGA

在嵌入PowerPC中除了處理輸入AFDX端口、SNMP代理、UDP和IP層的數(shù)據(jù)打包外，一項(xiàng)重要的功能是確定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送順序。AFDX協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中并未規(guī)定該調(diào)度程序的具體算法，因此，在該嵌入調(diào)度程序的調(diào)度算法中需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)根據(jù)每個(gè)虛擬鏈接的允許帶寬來(lái)確定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送可用帶寬間隔；如果數(shù)據(jù)幀被無(wú)故延遲，將不被安排進(jìn)入調(diào)度程序，以便確保虛擬鏈接中一數(shù)據(jù)幀的延時(shí)不可阻擋另一幀的發(fā)送；

(2)確定虛擬鏈接的發(fā)送隊(duì)列及可用帶寬間隔，如果數(shù)據(jù)幀被有意延遲，該數(shù)據(jù)的發(fā)送隊(duì)列順序?qū)⒈Ａ簦?/p>

(3)確定每一數(shù)據(jù)幀所需的發(fā)送時(shí)間；

(4)為確定發(fā)送的數(shù)據(jù)幀預(yù)留發(fā)送窗口；

(5)為每一數(shù)據(jù)幀確定虛擬鏈接發(fā)送的優(yōu)先級(jí)。

3.3 可靠性預(yù)計(jì)

由于在航空電子系統(tǒng)集成中引入AFDX端口及AFDX交換機(jī)，必將影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)[6]?？煽啃远x為給定時(shí)間周期內(nèi)航空電子系統(tǒng)完成其預(yù)定功能的概率。通常，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的一般程序?yàn)椋?/p>

(1)按設(shè)備、系統(tǒng)的功能建立其可靠性模型，確定各分系統(tǒng)、組件間的串聯(lián)、并聯(lián)等關(guān)系；

(2)按不同的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算元器件的工作失效率；

(3)將同種類元器件的工作失效率相加；

(4)將各種類元器件的工作失效率相加，從而得出分系統(tǒng)的失效率；

(5)按設(shè)備、系統(tǒng)的可靠性模型，計(jì)算整個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間等可靠性指標(biāo)。

圖11 可靠性模型圖 Fig.11 Reliability model

具體到航空電子系統(tǒng)，由于其設(shè)備電路的復(fù)雜，所用元器件、材料等種類較多,這些導(dǎo)致整個(gè)航電系統(tǒng)的可靠性模型十分繁雜。在此，僅考慮引入AFDX后對(duì)系統(tǒng)影響,其系統(tǒng)的可靠性模型如圖11所示。通過(guò)下列計(jì)算公式可以預(yù)計(jì)引入AFDX的系統(tǒng)失效概率：

式中，p1=e-λ1是單個(gè)飛行控制計(jì)算機(jī)的可靠性概率，p2=e-λ2為單個(gè)AFDX端口的可靠性概率，P3為單個(gè)AFDX交換機(jī)的可靠性概率，PAFDX為整個(gè)航電系統(tǒng)的可靠性概率。

引入AFDX后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的失效概率計(jì)算結(jié)果如下：

PSystemfailure=1-PAFDX=10×10-9

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，AFDX通信網(wǎng)絡(luò)能夠滿足新一代航電數(shù)據(jù)通信的高速、實(shí)時(shí)和可靠性傳輸要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

AFDX協(xié)議是一種新型的航空數(shù)據(jù)總線協(xié)議，其虛擬鏈接和雙冗余網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置有效地增加了系統(tǒng)的可靠性。本文從航空電子集成的角度描述了AFDX通信網(wǎng)絡(luò)的概念、結(jié)構(gòu)、調(diào)度機(jī)制和協(xié)議棧，給出了AFDX端口和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案，預(yù)計(jì)了采用AFDX協(xié)議總線構(gòu)建航空電子系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)的失效概率，對(duì)AFDX通信網(wǎng)絡(luò)的研究和設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用參考性。

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