魏玉華, 朱云周, 高 卓

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一種基于復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魚雷高速光纖總線設(shè)計(jì)

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(tuán)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(wù)的日益復(fù)雜, 傳統(tǒng)采用的工業(yè)現(xiàn)場總線和行業(yè)總線難以適應(yīng)未來信息化武器裝備的發(fā)展, 魚雷開放式總線通信技術(shù)已經(jīng)成為大勢所趨。根據(jù)魚雷內(nèi)部數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)和需求, 開展了適合魚雷內(nèi)部使用光纖總線的拓?fù)浞治龊拖到y(tǒng)設(shè)計(jì), 采用全雙工交換以太網(wǎng)技術(shù), 提出了一種基于復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雷內(nèi)高速光纖數(shù)據(jù)總線。設(shè)計(jì)分析和樣機(jī)試驗(yàn)表明, 該總線具有高帶寬、低延遲、可靠性好等優(yōu)點(diǎn), 可以滿足魚雷內(nèi)部系統(tǒng)間信息共享要求。

魚雷; 光纖總線; 復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 全雙工交換以太網(wǎng)

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(wù)的日益復(fù)雜, 對魚雷內(nèi)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(xiàn)場總線和行業(yè)總線, 難以適應(yīng)未來信息化武器裝備的發(fā)展, 魚雷開放式總線通信技術(shù)已經(jīng)成為大勢所趨。

光纖通信具備通信速率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等突出特點(diǎn)。光纖通信的總線技術(shù)已在美軍的多個(gè)軍用項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。如光纖通道(fibre channel)技術(shù)已在美軍的AWACS (全天候空中預(yù)警機(jī))、B-1B戰(zhàn)略轟炸機(jī)、V-22魚鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、AH-64D長弓阿帕奇武裝直升機(jī)等航空電子設(shè)備設(shè)計(jì)中大量采用[1]?；诜瓷鋬?nèi)存(reflective memory)的光纖總線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在波音777測試系統(tǒng)、F35戰(zhàn)斗機(jī)和新型阿里-伯克級驅(qū)逐艦的雷達(dá)、電子戰(zhàn)綜合信息系統(tǒng)中作為新一代總線得以應(yīng)用[2]。國內(nèi)已有學(xué)者進(jìn)行了光纖通信總線的預(yù)先研究, 如空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)[3]、導(dǎo)彈綜合信息一體化系統(tǒng)[2]、新型戰(zhàn)機(jī)航電系統(tǒng)[4]等。

在魚雷電子系統(tǒng)中, 數(shù)據(jù)總線技術(shù)是關(guān)鍵的核心技術(shù)之一, 是魚雷電子系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”, 負(fù)責(zé)魚雷內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)交換。光纖總線以其傳輸延遲低、擴(kuò)展性強(qiáng)、質(zhì)量輕、可靠性高及傳輸速度快等諸多優(yōu)點(diǎn), 成為實(shí)現(xiàn)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(chǔ)是通用總線技術(shù)。MK48魚雷通過更換部分組件已經(jīng)得到多次性能提升, “黑鯊”魚雷、DM2A4魚雷等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)雷內(nèi)信息與發(fā)射艇信息共享。

因此開展基于光纖通信技術(shù)[5]的魚雷內(nèi)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(guān)重要。

1 魚雷內(nèi)部通信總線需求

魚雷內(nèi)部通信總線的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 需在綜合考慮雷內(nèi)信息的傳輸特點(diǎn)和雷內(nèi)總線的使用需求等基礎(chǔ)上, 盡量采用成熟設(shè)計(jì)技術(shù), 在嚴(yán)格保證可靠性前提下確保一定的技術(shù)先進(jìn)性余度, 優(yōu)先考慮高速硬件和光纖互連。

1.1 魚雷內(nèi)部通信信息傳輸特點(diǎn)

魚雷內(nèi)部通信信息傳輸特點(diǎn)主要如下。

1) 規(guī)律性

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

2) 不均勻性

雷內(nèi)信息傳輸在空間和時(shí)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(fù)荷也不相同。從時(shí)間上講, 雷內(nèi)信息傳輸是一個(gè)有中心的、傳輸負(fù)荷不均勻的、有明顯數(shù)據(jù)流方向性的網(wǎng)絡(luò)。

3) 不規(guī)則性

雷內(nèi)傳輸?shù)男畔⒓扔行?shù)據(jù)包的指令信息又有自導(dǎo)陣元數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包的信息, 因此雷內(nèi)總線要求對大小不同數(shù)據(jù)包同時(shí)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(shù)武器, 要求雷內(nèi)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(fù)機(jī)制, 確保雷內(nèi)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(shù)的發(fā)展, 新型魚雷武器, 要求在傳感器信號一級實(shí)現(xiàn)綜合, 雷內(nèi)傳輸?shù)牟辉賰H僅是命令和狀態(tài)數(shù)據(jù), 還包括傳感器輸出的大量中間數(shù)據(jù)。各系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)交互、綜合處理等要求雷內(nèi)總線應(yīng)當(dāng)具有極高的帶寬和微秒級別的數(shù)據(jù)延遲。

1.2 魚雷內(nèi)部通信信息傳輸需求

從雷內(nèi)信息傳輸特點(diǎn)可知, 雷內(nèi)總線既要通過信息的交聯(lián)達(dá)到功能綜合的目的, 還要適應(yīng)雷內(nèi)各子系統(tǒng)信息交互的特點(diǎn), 因此與一般的工業(yè)總線技術(shù)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(yīng)性。魚雷作為一次性使用的、無人控制的一種特殊機(jī)動平臺, 它在使用中不可維修。魚雷在工作中存在較強(qiáng)的機(jī)械振動和電磁干擾, 特別是電動力魚雷在航行過程中, 電機(jī)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射, 因此要求雷內(nèi)總線具有極高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

2) 強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性要求網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是確定性或有時(shí)限的, 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)必須在限定時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地。

3) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、通信協(xié)議靈活。雷內(nèi)空間有限、系統(tǒng)相對較少, 在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議設(shè)計(jì)上盡可能簡潔、高效, 在提高可靠性的同時(shí)便于總線網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的趨勢和復(fù)雜信號處理技術(shù)的引入, 傳感器信號一級的綜合必然依附于大量中間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互、綜合處理, 這些對雷內(nèi)總線的傳輸速率提出了極高要求, 同時(shí)綜合考慮到一定的技術(shù)先進(jìn)性余度, 要求雷內(nèi)總線具有高達(dá)Gbps 級的傳輸帶寬。

5) 體積小、質(zhì)量輕。魚雷對于空間和質(zhì)量要求嚴(yán)格, 質(zhì)量的降低意味著魚雷機(jī)動性的提高, 因此應(yīng)盡量使用質(zhì)量較輕的光纖替代電磁導(dǎo)線。

光纖總線以其帶寬高、質(zhì)量輕、電磁兼容性好等特點(diǎn), 在多個(gè)軍用領(lǐng)域已獲得成功應(yīng)用。因此, 雷內(nèi)光纖總線技術(shù)是魚雷發(fā)展的必然趨勢。文中根據(jù)魚雷信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和需求, 提出了一種基于復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和全雙工交換以太網(wǎng)技術(shù)的魚雷光纖總線, 能夠較好地達(dá)到魚雷的應(yīng)用需求, 具備一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 魚雷光纖總線框架設(shè)計(jì)

文中提出的魚雷光纖總線如圖1所示, 以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)(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(gè)段上都有一個(gè)段控制器, 段內(nèi)的各個(gè)系統(tǒng)通過各自的通用電氣接口(如CAN、RS232以及以太網(wǎng))連接到段控制器上, 段控制器通過光纖連接在雷內(nèi)總線上, 整個(gè)雷內(nèi)的穿艙線纜僅為傳輸信息的光纖和傳輸能量的電源。段內(nèi)各系統(tǒng)間的通信直接由段控制器在內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā), 不進(jìn)入光纖總線, 段間的數(shù)據(jù)傳輸通過段控制器進(jìn)行仲裁、調(diào)度和路由后, 在雷內(nèi)光纖總線上傳輸。

3 魚雷光纖總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是網(wǎng)絡(luò)形狀, 即通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接的方式。最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括: 總線形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)浜托切瓮負(fù)? 如圖2所示。

雷上空間有限、聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相對較少, 在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能地簡潔、高效。通過對網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析, 結(jié)合雷內(nèi)系統(tǒng)間信息交互的需求, 提出了一種適合魚雷內(nèi)部光纖總線應(yīng)用的復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(段內(nèi)為星形拓?fù)? 段間為線形拓?fù)?, 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?fù)渫ㄐ趴偩€, 魚雷各段之間僅需要1根光纖, 極大方便了雷內(nèi)走線, 大大減少了雷內(nèi)電纜數(shù)量和質(zhì)量。段控制器內(nèi)部為基于交換機(jī)的星型拓?fù)? 如圖4所示。

段內(nèi)提供了多種通用電氣接口, 如10/100 M電以太網(wǎng)接口、RS232接口以及CAN接口, 其中電以太網(wǎng)接口直接掛接在交換機(jī)上, 由交換機(jī)硬件直接路由轉(zhuǎn)發(fā), 無需軟件干擾, 大大降低了通信延時(shí), 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(jī)上, 在兼容原有雷內(nèi)系統(tǒng)通信接口的基礎(chǔ)上, 又提高了通信協(xié)議和軟件的靈活性。

此外, 在復(fù)合拓?fù)涞幕A(chǔ)上, 可以采用多芯光纜和光功率自動檢測切換的方式, 實(shí)現(xiàn)光傳輸鏈路冗余設(shè)計(jì), 從而進(jìn)一步提高了雷內(nèi)通信的可靠性。

4 魚雷光纖總線段控制器設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)技術(shù)是目前最普遍的網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 成熟度和標(biāo)準(zhǔn)化程度非常高, 基于全雙工交換的以太網(wǎng)不會產(chǎn)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(wǎng)(avionics full duplex swit- ched,)協(xié)議的航空電子系統(tǒng)已經(jīng)在空客A380中成功應(yīng)用。

千兆光纖以太網(wǎng)技術(shù)相對與光纖通道技術(shù), 在實(shí)時(shí)性和協(xié)議開銷上有所欠缺, 但是結(jié)合雷內(nèi)的實(shí)際通信需求, 特別是對雷內(nèi)信息交互策略進(jìn)行優(yōu)化后, 揚(yáng)長避短, 完全可以滿足雷內(nèi)的應(yīng)用。因此從技術(shù)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(wǎng)的交換技術(shù)。段控制器內(nèi)部采用1片6端口千兆以太網(wǎng)交換機(jī), 其中2個(gè)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(gè)端口降速至10/100 Mbps用于連接段內(nèi)以太網(wǎng)接口, 最后1個(gè)端口用于低速接口與主干網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋。從傳輸模式上看, 通用雷內(nèi)光纖總線段間主干網(wǎng)絡(luò)采用1 000 M光纖以太網(wǎng)傳輸模式(1 000 Base-X), 段內(nèi)采用10/100 M自適應(yīng)電以太網(wǎng)傳輸模式。

為了演示提出的雷內(nèi)通信光纖總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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(jī)。段控制器原理樣機(jī)的組成框圖如圖5所示, 主要分為供電模塊、交換機(jī)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(zhuǎn)換為段控制器內(nèi)部數(shù)字電路所需的低電壓。交換機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)段內(nèi)電口以太網(wǎng)與段間千兆光纖以太網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。ARM處理器模塊實(shí)現(xiàn)段內(nèi)通用低速數(shù)據(jù)接口(RS232接口、CAN接口)與段間千兆光纖以太網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)交換。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中提出的雷內(nèi)光纖總線實(shí)際效果, 采用3臺嵌入式計(jì)算機(jī)分別模擬雷上的3個(gè)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(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2之間的以太網(wǎng)接口模擬自導(dǎo)與線導(dǎo)之間大數(shù)據(jù)量原始陣源信息傳輸; 計(jì)算機(jī)2和計(jì)算機(jī)3之間的CAN接口模擬控制系統(tǒng)與線導(dǎo)系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交互; 計(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)3之間的RS232接口模擬控制系統(tǒng)與戰(zhàn)斗部之間的點(diǎn)對點(diǎn)信息傳輸。

試驗(yàn)中, 通過編制專用的接口測試軟件, 使得各個(gè)接口運(yùn)行在較高負(fù)載率上。其中: 100 M以太網(wǎng)接口負(fù)載率為90%; RS232數(shù)據(jù), 波特率為115 200 bps, 20 ms一幀, 每幀10個(gè)字節(jié); CAN數(shù)據(jù), 波特率1 Mbps, 5 ms一幀, 每幀8個(gè)字節(jié)。樣機(jī)經(jīng)過連續(xù)運(yùn)行, 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠, CAN數(shù)據(jù)和RS232數(shù)據(jù)的最大延遲不超過1 ms, 完全可以滿足雷內(nèi)的應(yīng)用需求。

6 結(jié)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(wù)的日益復(fù)雜, 為適應(yīng)魚雷開放式總線通信技術(shù)的發(fā)展需求, 采用全雙工交換以太網(wǎng)技術(shù), 提出了一種基于復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雷內(nèi)高速光纖數(shù)據(jù)總線方案,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)表明, 魚雷內(nèi)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(nèi)走線, 大大減少了雷內(nèi)電纜數(shù)量和質(zhì)量; 段間信息傳輸使用光纖介質(zhì), 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(nèi)部系統(tǒng)間信息共享要求, 有效提高魚雷武器的信息化進(jìn)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?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與應(yīng)用工程.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)