一種基于復合拓撲結構的魚雷高速光纖總線設計

魏玉華, 朱云周, 高 卓

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一種基于復合拓撲結構的魚雷高速光纖總線設計

魏玉華1, 朱云周2, 高 卓2

(1. 駐北京地區(qū)武備配套軍代室, 北京, 100082; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

隨著魚雷武器功能的增加、性能的提高以及執(zhí)行作戰(zhàn)任務的日益復雜, 傳統(tǒng)采用的工業(yè)現場總線和行業(yè)總線難以適應未來信息化武器裝備的發(fā)展, 魚雷開放式總線通信技術已經成為大勢所趨。根據魚雷內部數據通信特點和需求, 開展了適合魚雷內部使用光纖總線的拓撲分析和系統(tǒng)設計, 采用全雙工交換以太網技術, 提出了一種基于復合拓撲結構的雷內高速光纖數據總線。設計分析和樣機試驗表明, 該總線具有高帶寬、低延遲、可靠性好等優(yōu)點, 可以滿足魚雷內部系統(tǒng)間信息共享要求。

魚雷; 光纖總線; 復合拓撲結構; 全雙工交換以太網

0 引言

隨著魚雷武器功能的增加、性能的提高以及執(zhí)行作戰(zhàn)任務的日益復雜, 對魚雷內部各系統(tǒng)間信息的獲取、傳輸、交互以及綜合處理等提出了更高的要求, 傳統(tǒng)采用的工業(yè)現場總線和行業(yè)總線, 難以適應未來信息化武器裝備的發(fā)展, 魚雷開放式總線通信技術已經成為大勢所趨。

光纖通信具備通信速率高、抗干擾能力強、體積小、質量輕等突出特點。光纖通信的總線技術已在美軍的多個軍用項目中得到成功應用。如光纖通道(fibre channel)技術已在美軍的AWACS (全天候空中預警機)、B-1B戰(zhàn)略轟炸機、V-22魚鷹式傾轉旋翼機、AH-64D長弓阿帕奇武裝直升機等航空電子設備設計中大量采用[1]。基于反射內存(reflective memory)的光纖總線網絡已經在波音777測試系統(tǒng)、F35戰(zhàn)斗機和新型阿里-伯克級驅逐艦的雷達、電子戰(zhàn)綜合信息系統(tǒng)中作為新一代總線得以應用[2]。國內已有學者進行了光纖通信總線的預先研究, 如空空導彈飛控系統(tǒng)[3]、導彈綜合信息一體化系統(tǒng)[2]、新型戰(zhàn)機航電系統(tǒng)[4]等。

在魚雷電子系統(tǒng)中, 數據總線技術是關鍵的核心技術之一, 是魚雷電子系統(tǒng)的“神經中樞”, 負責魚雷內部各個子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)交換。光纖總線以其傳輸延遲低、擴展性強、質量輕、可靠性高及傳輸速度快等諸多優(yōu)點, 成為實現武器綜合信息一體化的有效途徑, 是新一代軍用總線的必然選擇。

模塊化系統(tǒng)升級是一種迅速提高魚雷性能的主要方法, 而模塊化系統(tǒng)升級的重要基礎是通用總線技術。MK48魚雷通過更換部分組件已經得到多次性能提升, “黑鯊”魚雷、DM2A4魚雷等已經實現雷內信息與發(fā)射艇信息共享。

因此開展基于光纖通信技術[5]的魚雷內部通信總線研究具有重要意義, 對于提升魚雷武器的作戰(zhàn)效能和信息化程度至關重要。

1 魚雷內部通信總線需求

魚雷內部通信總線的設計是一項復雜的系統(tǒng)工程, 需在綜合考慮雷內信息的傳輸特點和雷內總線的使用需求等基礎上, 盡量采用成熟設計技術, 在嚴格保證可靠性前提下確保一定的技術先進性余度, 優(yōu)先考慮高速硬件和光纖互連。

1.1 魚雷內部通信信息傳輸特點

魚雷內部通信信息傳輸特點主要如下。

1) 規(guī)律性

雷內信息傳輸具有規(guī)律性, 隨機信號較少。魚雷系統(tǒng)執(zhí)行的任務相對單一, 信息的產生和傳輸嚴格按照控制程序執(zhí)行。

2) 不均勻性

雷內信息傳輸在空間和時間上不均勻。從空間上講, 魚雷各系統(tǒng)所處理的信息量差別很大, 傳輸負荷也不相同。從時間上講, 雷內信息傳輸是一個有中心的、傳輸負荷不均勻的、有明顯數據流方向性的網絡。

3) 不規(guī)則性

雷內傳輸的信息既有小數據包的指令信息又有自導陣元數據等大數據包的信息, 因此雷內總線要求對大小不同數據包同時具有較高的傳輸效率。

4) 可靠性

魚雷作為一種主要的水下戰(zhàn)術武器, 要求雷內總線具備極高的可靠性。具備隔離、冗余、錯誤檢測和故障恢復機制, 確保雷內總線在惡劣的環(huán)境中能夠可靠工作。

5) 高速性

隨著信息技術的發(fā)展, 新型魚雷武器, 要求在傳感器信號一級實現綜合, 雷內傳輸的不再僅僅是命令和狀態(tài)數據, 還包括傳感器輸出的大量中間數據。各系統(tǒng)海量數據共享、實時交互、綜合處理等要求雷內總線應當具有極高的帶寬和微秒級別的數據延遲。

1.2 魚雷內部通信信息傳輸需求

從雷內信息傳輸特點可知, 雷內總線既要通過信息的交聯(lián)達到功能綜合的目的, 還要適應雷內各子系統(tǒng)信息交互的特點, 因此與一般的工業(yè)總線技術相比差別較大, 具有更高的要求。

1) 具有極高的可靠性和環(huán)境適應性。魚雷作為一次性使用的、無人控制的一種特殊機動平臺, 它在使用中不可維修。魚雷在工作中存在較強的機械振動和電磁干擾, 特別是電動力魚雷在航行過程中, 電機將產生強烈的電磁輻射, 因此要求雷內總線具有極高的可靠性和環(huán)境適應性。

2) 強調實時性。實時性要求網絡中各節(jié)點數據傳輸的時間是確定性或有時限的, 網絡中數據必須在限定時間內到達目的地。

3) 網絡拓撲結構簡潔、通信協(xié)議靈活。雷內空間有限、系統(tǒng)相對較少, 在網絡拓撲結構和通信協(xié)議設計上盡可能簡潔、高效, 在提高可靠性的同時便于總線網絡的監(jiān)測和差錯控制。

4) 具備較高的傳輸帶寬。隨著新一代魚雷電子系統(tǒng)一體化設計的趨勢和復雜信號處理技術的引入, 傳感器信號一級的綜合必然依附于大量中間數據的實時交互、綜合處理, 這些對雷內總線的傳輸速率提出了極高要求, 同時綜合考慮到一定的技術先進性余度, 要求雷內總線具有高達Gbps 級的傳輸帶寬。

5) 體積小、質量輕。魚雷對于空間和質量要求嚴格, 質量的降低意味著魚雷機動性的提高, 因此應盡量使用質量較輕的光纖替代電磁導線。

光纖總線以其帶寬高、質量輕、電磁兼容性好等特點, 在多個軍用領域已獲得成功應用。因此, 雷內光纖總線技術是魚雷發(fā)展的必然趨勢。文中根據魚雷信息傳輸的特點和需求, 提出了一種基于復合拓撲結構和全雙工交換以太網技術的魚雷光纖總線, 能夠較好地達到魚雷的應用需求, 具備一定的應用價值。

2 魚雷光纖總線框架設計

文中提出的魚雷光纖總線如圖1所示, 以一定的拓撲結構將各個通信節(jié)點(段控制器)通過光纖連接在一起。

魚雷是按段組裝在一起的, 每個段上都有一個段控制器, 段內的各個系統(tǒng)通過各自的通用電氣接口(如CAN、RS232以及以太網)連接到段控制器上, 段控制器通過光纖連接在雷內總線上, 整個雷內的穿艙線纜僅為傳輸信息的光纖和傳輸能量的電源。段內各系統(tǒng)間的通信直接由段控制器在內部轉發(fā), 不進入光纖總線, 段間的數據傳輸通過段控制器進行仲裁、調度和路由后, 在雷內光纖總線上傳輸。

3 魚雷光纖總線拓撲結構設計

總線拓撲結構指的是網絡形狀, 即通信網絡中各個節(jié)點相互連接的方式。最基本的拓撲結構包括: 總線形拓撲、環(huán)形拓撲和星形拓撲, 如圖2所示。

雷上空間有限、聯(lián)網系統(tǒng)相對較少, 在網絡拓撲結構設計上應盡可能地簡潔、高效。通過對網絡基本拓撲結構的優(yōu)缺點分析, 結合雷內系統(tǒng)間信息交互的需求, 提出了一種適合魚雷內部光纖總線應用的復合拓撲結構(段內為星形拓撲, 段間為線形拓撲), 如圖3所示。

段控制器之間通過單模光纖首尾串聯(lián)形成1條總帶寬1 000 Mbps的線形拓撲通信總線, 魚雷各段之間僅需要1根光纖, 極大方便了雷內走線, 大大減少了雷內電纜數量和質量。段控制器內部為基于交換機的星型拓撲, 如圖4所示。

段內提供了多種通用電氣接口, 如10/100 M電以太網接口、RS232接口以及CAN接口, 其中電以太網接口直接掛接在交換機上, 由交換機硬件直接路由轉發(fā), 無需軟件干擾, 大大降低了通信延時, 提高了通信可靠性, RS232接口以及CAN接口等低速接口由處理器橋接后掛在交換機上, 在兼容原有雷內系統(tǒng)通信接口的基礎上, 又提高了通信協(xié)議和軟件的靈活性。

此外, 在復合拓撲的基礎上, 可以采用多芯光纜和光功率自動檢測切換的方式, 實現光傳輸鏈路冗余設計, 從而進一步提高了雷內通信的可靠性。

4 魚雷光纖總線段控制器設計

以太網技術是目前最普遍的網絡技術, 成熟度和標準化程度非常高, 基于全雙工交換的以太網不會產生通信碰撞問題, 通信延遲確定。采用航空全雙工交換以太網(avionics full duplex swit- ched,)協(xié)議的航空電子系統(tǒng)已經在空客A380中成功應用。

千兆光纖以太網技術相對與光纖通道技術, 在實時性和協(xié)議開銷上有所欠缺, 但是結合雷內的實際通信需求, 特別是對雷內信息交互策略進行優(yōu)化后, 揚長避短, 完全可以滿足雷內的應用。因此從技術成熟度、成本以及開發(fā)周期等多方面考慮, 最終采用基于千兆光纖以太網的交換技術。段控制器內部采用1片6端口千兆以太網交換機, 其中2個端口外加千兆光纖收發(fā)器后形成1 000 Base-X光纖接口用于段間主干級聯(lián), 另外2個端口降速至10/100 Mbps用于連接段內以太網接口, 最后1個端口用于低速接口與主干網絡的網橋。從傳輸模式上看, 通用雷內光纖總線段間主干網絡采用1 000 M光纖以太網傳輸模式(1 000 Base-X), 段內采用10/100 M自適應電以太網傳輸模式。

為了演示提出的雷內通信光纖總線拓撲結構、傳輸模式以及信息交互策略方法, 研制了1套通用段控制器原理樣機。段控制器原理樣機的組成框圖如圖5所示, 主要分為供電模塊、交換機模塊以及ARM(advanced RISC machines)處理器模塊。供電模塊將外部輸入的27 V高電壓轉換為段控制器內部數字電路所需的低電壓。交換機模塊實現段內電口以太網與段間千兆光纖以太網主干網絡之間的數據交換。ARM處理器模塊實現段內通用低速數據接口(RS232接口、CAN接口)與段間千兆光纖以太網主干網絡之間數據交換。

5 試驗驗證

為了驗證文中提出的雷內光纖總線實際效果, 采用3臺嵌入式計算機分別模擬雷上的3個用戶系統(tǒng), 掛接在光纖總線上, 如圖6所示。

Fig. 6 Block diagram of test verification

圖中, 模擬計算機1和計算機2之間的以太網接口模擬自導與線導之間大數據量原始陣源信息傳輸; 計算機2和計算機3之間的CAN接口模擬控制系統(tǒng)與線導系統(tǒng)之間的實時信息交互; 計算機1和計算機3之間的RS232接口模擬控制系統(tǒng)與戰(zhàn)斗部之間的點對點信息傳輸。

試驗中, 通過編制專用的接口測試軟件, 使得各個接口運行在較高負載率上。其中: 100 M以太網接口負載率為90%; RS232數據, 波特率為115 200 bps, 20 ms一幀, 每幀10個字節(jié); CAN數據, 波特率1 Mbps, 5 ms一幀, 每幀8個字節(jié)。樣機經過連續(xù)運行, 系統(tǒng)數據傳輸穩(wěn)定可靠, CAN數據和RS232數據的最大延遲不超過1 ms, 完全可以滿足雷內的應用需求。

6 結束語

隨著魚雷武器功能的增加、性能的提高以及執(zhí)行作戰(zhàn)任務的日益復雜, 為適應魚雷開放式總線通信技術的發(fā)展需求, 采用全雙工交換以太網技術, 提出了一種基于復合拓撲結構的雷內高速光纖數據總線方案,并進行了試驗驗證。仿真試驗表明, 魚雷內部采用光纖總線后, 魚雷各段之間信息傳輸僅需要1根光纖, 極大方便了雷內走線, 大大減少了雷內電纜數量和質量; 段間信息傳輸使用光纖介質, 段間相互干擾減少, 抗電磁干擾性能大大提高; 總線傳輸帶寬很大, 系統(tǒng)間信息共享程度可以有效提高。文中的研究可滿足魚雷內部系統(tǒng)間信息共享要求, 有效提高魚雷武器的信息化進程以及作戰(zhàn)效能。

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A High-speed Optical Fiber Communication Bus in Torpedo Based on Complex Topological Structure

WEI Yu-hua, ZHU Yun-zhou, GAO Zhuo

(1. Military Representative Office, Beijing 100082, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

With the increase of torpedo′s function, improvement of performance and more complex of task, the traditional industrial field bus is difficult to meet the demand of future informationalized weapons. Hence, open bus in torpedo becomes the general trend. In this study, a high-speed optical fiber communication bus in torpedo based on complex topological structure was proposed, topological analysis and system design of the optical fiber bus were carried out by using full-duplex communication ethernet network technique. Design analysis and prototype experiment indicate that the optical fiber bus has the advantages of large bandwidth, small delay and high reliability, can meet the requirement of information sharing in the systems for a torpedo, so it can be used in future torpedo to enhance informationalization of a torpedo.

torpedo; optical fiber bus; complex topological structure; full-duplex communication ethernet network

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.02.007

TJ631.4; TN929.1

A

1673-1948(2016)02-0115-05

2015-12-09;

2015-01-05.

魏玉華(1966-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為武器系統(tǒng)與應用工程.

(責任編輯: 楊力軍)