一种基于复合拓扑结构的鱼雷高速光纤总线设计

魏玉华, 朱云周, 高 卓



一种基于复合拓扑结构的鱼雷高速光纤总线设计

魏玉华1, 朱云周2, 高 卓2

(1. 驻北京地区武备配套军代室, 北京, 100082; 2. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

随着鱼雷武器功能的增加、性能的提高以及执行作战任务的日益复杂, 传统采用的工业现场总线和行业总线难以适应未来信息化武器装备的发展, 鱼雷开放式总线通信技术已经成为大势所趋。根据鱼雷内部数据通信特点和需求, 开展了适合鱼雷内部使用光纤总线的拓扑分析和系统设计, 采用全双工交换以太网技术, 提出了一种基于复合拓扑结构的雷内高速光纤数据总线。设计分析和样机试验表明, 该总线具有高带宽、低延迟、可靠性好等优点, 可以满足鱼雷内部系统间信息共享要求。

鱼雷; 光纤总线; 复合拓扑结构; 全双工交换以太网

0 引言

随着鱼雷武器功能的增加、性能的提高以及执行作战任务的日益复杂, 对鱼雷内部各系统间信息的获取、传输、交互以及综合处理等提出了更高的要求, 传统采用的工业现场总线和行业总线, 难以适应未来信息化武器装备的发展, 鱼雷开放式总线通信技术已经成为大势所趋。

光纤通信具备通信速率高、抗干扰能力强、体积小、质量轻等突出特点。光纤通信的总线技术已在美军的多个军用项目中得到成功应用。如光纤通道(fibre channel)技术已在美军的AWACS (全天候空中预警机)、B-1B战略轰炸机、V-22鱼鹰式倾转旋翼机、AH-64D长弓阿帕奇武装直升机等航空电子设备设计中大量采用[1]。基于反射内存(reflective memory)的光纤总线网络已经在波音777测试系统、F35战斗机和新型阿里-伯克级驱逐舰的雷达、电子战综合信息系统中作为新一代总线得以应用[2]。国内已有学者进行了光纤通信总线的预先研究, 如空空导弹飞控系统[3]、导弹综合信息一体化系统[2]、新型战机航电系统[4]等。

在鱼雷电子系统中, 数据总线技术是关键的核心技术之一, 是鱼雷电子系统的“神经中枢”, 负责鱼雷内部各个子系统之间的系统交换。光纤总线以其传输延迟低、扩展性强、质量轻、可靠性高及传输速度快等诸多优点, 成为实现武器综合信息一体化的有效途径, 是新一代军用总线的必然选择。

模块化系统升级是一种迅速提高鱼雷性能的主要方法, 而模块化系统升级的重要基础是通用总线技术。MK48鱼雷通过更换部分组件已经得到多次性能提升, “黑鲨”鱼雷、DM2A4鱼雷等已经实现雷内信息与发射艇信息共享。

因此开展基于光纤通信技术[5]的鱼雷内部通信总线研究具有重要意义, 对于提升鱼雷武器的作战效能和信息化程度至关重要。

1 鱼雷内部通信总线需求

鱼雷内部通信总线的设计是一项复杂的系统工程, 需在综合考虑雷内信息的传输特点和雷内总线的使用需求等基础上, 尽量采用成熟设计技术, 在严格保证可靠性前提下确保一定的技术先进性余度, 优先考虑高速硬件和光纤互连。

1.1 鱼雷内部通信信息传输特点

鱼雷内部通信信息传输特点主要如下。

1) 规律性

雷内信息传输具有规律性, 随机信号较少。鱼雷系统执行的任务相对单一, 信息的产生和传输严格按照控制程序执行。

2) 不均匀性

雷内信息传输在空间和时间上不均匀。从空间上讲, 鱼雷各系统所处理的信息量差别很大, 传输负荷也不相同。从时间上讲, 雷内信息传输是一个有中心的、传输负荷不均匀的、有明显数据流方向性的网络。

3) 不规则性

雷内传输的信息既有小数据包的指令信息又有自导阵元数据等大数据包的信息, 因此雷内总线要求对大小不同数据包同时具有较高的传输效率。

4) 可靠性

鱼雷作为一种主要的水下战术武器, 要求雷内总线具备极高的可靠性。具备隔离、冗余、错误检测和故障恢复机制, 确保雷内总线在恶劣的环境中能够可靠工作。

5) 高速性

随着信息技术的发展, 新型鱼雷武器, 要求在传感器信号一级实现综合, 雷内传输的不再仅仅是命令和状态数据, 还包括传感器输出的大量中间数据。各系统海量数据共享、实时交互、综合处理等要求雷内总线应当具有极高的带宽和微秒级别的数据延迟。

1.2 鱼雷内部通信信息传输需求

从雷内信息传输特点可知, 雷内总线既要通过信息的交联达到功能综合的目的, 还要适应雷内各子系统信息交互的特点, 因此与一般的工业总线技术相比差别较大, 具有更高的要求。

1) 具有极高的可靠性和环境适应性。鱼雷作为一次性使用的、无人控制的一种特殊机动平台, 它在使用中不可维修。鱼雷在工作中存在较强的机械振动和电磁干扰, 特别是电动力鱼雷在航行过程中, 电机将产生强烈的电磁辐射, 因此要求雷内总线具有极高的可靠性和环境适应性。

2) 强调实时性。实时性要求网络中各节点数据传输的时间是确定性或有时限的, 网络中数据必须在限定时间内到达目的地。

3) 网络拓扑结构简洁、通信协议灵活。雷内空间有限、系统相对较少, 在网络拓扑结构和通信协议设计上尽可能简洁、高效, 在提高可靠性的同时便于总线网络的监测和差错控制。

4) 具备较高的传输带宽。随着新一代鱼雷电子系统一体化设计的趋势和复杂信号处理技术的引入, 传感器信号一级的综合必然依附于大量中间数据的实时交互、综合处理, 这些对雷内总线的传输速率提出了极高要求, 同时综合考虑到一定的技术先进性余度, 要求雷内总线具有高达Gbps 级的传输带宽。

5) 体积小、质量轻。鱼雷对于空间和质量要求严格, 质量的降低意味着鱼雷机动性的提高, 因此应尽量使用质量较轻的光纤替代电磁导线。

光纤总线以其带宽高、质量轻、电磁兼容性好等特点, 在多个军用领域已获得成功应用。因此, 雷内光纤总线技术是鱼雷发展的必然趋势。文中根据鱼雷信息传输的特点和需求, 提出了一种基于复合拓扑结构和全双工交换以太网技术的鱼雷光纤总线, 能够较好地达到鱼雷的应用需求, 具备一定的应用价值。

2 鱼雷光纤总线框架设计

文中提出的鱼雷光纤总线如图1所示, 以一定的拓扑结构将各个通信节点(段控制器)通过光纤连接在一起。

鱼雷是按段组装在一起的, 每个段上都有一个段控制器, 段内的各个系统通过各自的通用电气接口(如CAN、RS232以及以太网)连接到段控制器上, 段控制器通过光纤连接在雷内总线上, 整个雷内的穿舱线缆仅为传输信息的光纤和传输能量的电源。段内各系统间的通信直接由段控制器在内部转发, 不进入光纤总线, 段间的数据传输通过段控制器进行仲裁、调度和路由后, 在雷内光纤总线上传输。

3 鱼雷光纤总线拓扑结构设计

总线拓扑结构指的是网络形状, 即通信网络中各个节点相互连接的方式。最基本的拓扑结构包括: 总线形拓扑、环形拓扑和星形拓扑, 如图2所示。

雷上空间有限、联网系统相对较少, 在网络拓扑结构设计上应尽可能地简洁、高效。通过对网络基本拓扑结构的优缺点分析, 结合雷内系统间信息交互的需求, 提出了一种适合鱼雷内部光纤总线应用的复合拓扑结构(段内为星形拓扑, 段间为线形拓扑), 如图3所示。

段控制器之间通过单模光纤首尾串联形成1条总带宽1 000 Mbps的线形拓扑通信总线, 鱼雷各段之间仅需要1根光纤, 极大方便了雷内走线, 大大减少了雷内电缆数量和质量。段控制器内部为基于交换机的星型拓扑, 如图4所示。

段内提供了多种通用电气接口, 如10/100 M电以太网接口、RS232接口以及CAN接口, 其中电以太网接口直接挂接在交换机上, 由交换机硬件直接路由转发, 无需软件干扰, 大大降低了通信延时, 提高了通信可靠性, RS232接口以及CAN接口等低速接口由处理器桥接后挂在交换机上, 在兼容原有雷内系统通信接口的基础上, 又提高了通信协议和软件的灵活性。

此外, 在复合拓扑的基础上, 可以采用多芯光缆和光功率自动检测切换的方式, 实现光传输链路冗余设计, 从而进一步提高了雷内通信的可靠性。

4 鱼雷光纤总线段控制器设计

以太网技术是目前最普遍的网络技术, 成熟度和标准化程度非常高, 基于全双工交换的以太网不会产生通信碰撞问题, 通信延迟确定。采用航空全双工交换以太网(avionics full duplex swit- ched,)协议的航空电子系统已经在空客A380中成功应用。

千兆光纤以太网技术相对与光纤通道技术, 在实时性和协议开销上有所欠缺, 但是结合雷内的实际通信需求, 特别是对雷内信息交互策略进行优化后, 扬长避短, 完全可以满足雷内的应用。因此从技术成熟度、成本以及开发周期等多方面考虑, 最终采用基于千兆光纤以太网的交换技术。段控制器内部采用1片6端口千兆以太网交换机, 其中2个端口外加千兆光纤收发器后形成1 000 Base-X光纤接口用于段间主干级联, 另外2个端口降速至10/100 Mbps用于连接段内以太网接口, 最后1个端口用于低速接口与主干网络的网桥。从传输模式上看, 通用雷内光纤总线段间主干网络采用1 000 M光纤以太网传输模式(1 000 Base-X), 段内采用10/100 M自适应电以太网传输模式。

为了演示提出的雷内通信光纤总线拓扑结构、传输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样机。段控制器原理样机的组成框图如图5所示, 主要分为供电模块、交换机模块以及ARM(advanced RISC machines)处理器模块。供电模块将外部输入的27 V高电压转换为段控制器内部数字电路所需的低电压。交换机模块实现段内电口以太网与段间千兆光纤以太网主干网络之间的数据交换。ARM处理器模块实现段内通用低速数据接口(RS232接口、CAN接口)与段间千兆光纤以太网主干网络之间数据交换。

5 试验验证

为了验证文中提出的雷内光纤总线实际效果, 采用3台嵌入式计算机分别模拟雷上的3个用户系统, 挂接在光纤总线上, 如图6所示。

Fig. 6 Block diagram of test verification

图中, 模拟计算机1和计算机2之间的以太网接口模拟自导与线导之间大数据量原始阵源信息传输; 计算机2和计算机3之间的CAN接口模拟控制系统与线导系统之间的实时信息交互; 计算机1和计算机3之间的RS232接口模拟控制系统与战斗部之间的点对点信息传输。

试验中, 通过编制专用的接口测试软件, 使得各个接口运行在较高负载率上。其中: 100 M以太网接口负载率为90%; RS232数据, 波特率为115 200 bps, 20 ms一帧, 每帧10个字节; CAN数据, 波特率1 Mbps, 5 ms一帧, 每帧8个字节。样机经过连续运行, 系统数据传输稳定可靠, CAN数据和RS232数据的最大延迟不超过1 ms, 完全可以满足雷内的应用需求。

6 结束语

随着鱼雷武器功能的增加、性能的提高以及执行作战任务的日益复杂, 为适应鱼雷开放式总线通信技术的发展需求, 采用全双工交换以太网技术, 提出了一种基于复合拓扑结构的雷内高速光纤数据总线方案,并进行了试验验证。仿真试验表明, 鱼雷内部采用光纤总线后, 鱼雷各段之间信息传输仅需要1根光纤, 极大方便了雷内走线, 大大减少了雷内电缆数量和质量; 段间信息传输使用光纤介质, 段间相互干扰减少, 抗电磁干扰性能大大提高; 总线传输带宽很大, 系统间信息共享程度可以有效提高。文中的研究可满足鱼雷内部系统间信息共享要求, 有效提高鱼雷武器的信息化进程以及作战效能。

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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.

魏玉华(1966-), 男, 高级工程师, 主要研究方向为武器系统与应用工程.

(责任编辑: 杨力军)