（电力电子与电力传动专业论文）飞机电力线载波数据通信总线技术研究.pdf

飞机电力线载波数据通信总线技术研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa v i o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，h o wt oi m p r o v et h e a i r p l a n ec a p a c i t yd o i n gb a t t l eb e c o m e st h em a i ng o a lo f o u rc o u n t l l ya n do v e r s e a s ，w h i c hi st h es t u d y r e s o u r c eo ft h i s p a p e l t h i s p a p e rs t u d y s t h eb u s p r o t o c o l o ft h ea i r b o r n ee l e c t r o m e c h a n i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do np l c ，a n dt h er e s e a r c hh a sp r a t i c a lv a l u et oi m p r o v et h em o d e r n i z a t i o n o f a e r o n a u t i c e q u i p m e n t so f o u rc o u n t r y f i r s t l y ，t h i s d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ea i r b o r n ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，t h e d e v e l o p m e n t o f b u s p r o t o c o l ，p o w e r l i n ec h a n n e la n d p o w e rs y s t e m ；s e c o n d l y ，c o m p a r e s a n dd i s c u s s e ss e v e r a lb u sp r o t o c o l s ，a n dt h e np r o p o s e sp - p e r s i s tc s m a c d p r o t o c o l 、v i t hp r i ：t h i r d l y ，m e t h o d si nd e s i g n i n gt h eb o a r d sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb a s e do nd s p a r ef u l l yd i s c u s s e d i f i n a l l yt e s tr e s u l t sa r eg i v e n t h ee n do f t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c h i n gd i r e c t i o no f t h e d e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dd a t a t r a n s p o r t i n gc a r do f a i r b o r n ee le c t r o m e c h a n i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sb a s e do n p l ci no u r c o u n t r ya r ep u tf o r w a r d k e yw o r d ：a e r o p l a n e ，p o w e r l i n ec a r r i e r ，p - p e r s i s tc s m a c db u s p r o t o c o l ，n e t w o r k c o n t r o l l e r ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ( c p l d ) ，a i r b o m e e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m i i 南京靛空航天大学硕士学位论文 第一章研究背景和总体设计 1 1 研究背景和意义 送入2 l 嫠纪瑶，瑶饯霉爱飞撬蕊 乍装环境嚣熬严竣，嚣致飞瓠撬载拣毫系统 所簧传输的信息量随之迅速增大，因此，实时共享本机信息资源的程度大小已成为 决定作战取黢鲍重要因素；飞枧的搬载瓿惫系统，又髂飞极公共设套系统，是摆飞 机上完成诸如次级功率产生、环境控制和燃油管理等飞行保障功能系统i i 】。 飞机上露多种机电设备，如发电配电、嶷流电源、燃浊测量输遴、液压动力装 鼍、应急动力装置、起落槊收放、机轮防淆刹车、前轮转弯、环境控制等，这些设 备对于保障飞行安全具有重要意义【2 j 。对于一架飞机而言这些设备就如同人的不同 的部位，必须谤谲璁进行工作，僵麓在舀前的飞机上，各释祝载辊电系统的发展相 对独立。显然，这种机载机电系统的设计方法必然会造成所用的机载机电系统的能 量释控毒l 信惑等都不旋共享，并导致资源滚赞，嚣辩也镬飞行员缀雅对蕊载辍电系 统进行综合控制和管理。因此，有必要对这一传统的设计方法进行改进。 麸载蒋豹黄动与控割载发聂看，一般是胰投城佟动发葳海今天酌多电、垒毫传 动。随着我阐机电一体化的发展，数字化已达到一定的水平，在此撼础上适时进行 综合纯的管骥磅究，即放弃对各子系统单独管理的伎统方寨，烽整个枧电系绞视为 一个整体，采用数攒总线技术和多处理机技术实行统一管理，已经成为机载设备的 发展方向卧【矾。 本课题掰研究的飞机电力线载波数据通信主要鼹针对机裁机电系统的电力线载 波通信，达到综合管理机载机电设备的目的。到现在为止，通过数据光盘检索( 如 美豳政府科技报告( a d ) 、i n t e r n e t 嘲络裣索，还投裔发现黉内外飞钒上采爝极载毫 源网络进行数据通信的论文谶技术报告。 爰癸，数豢传输总线是税载设镰进行僖悫转递酶重要抠短。磊藏广泛巍瑶懿数 据传输总线协议标凇有：民用a r i n c 系列标准、军用1 5 5 3 系列标凇以及军用局域 网聚翅毂线性令冀赞埝蕊线( l i n e a r t o k e n p a s s i n g b u s ，燕嚣l t p b ) 亵走终分毒式 数粥接口( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ，简称f d d i ) 总线标准等【7 】- 【8 1 。基于性能 和费用的综仓考虑，我国攀翔飞机鲍枧载援电系统设备之阙验数攒绩竣全部使用 m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线协议，而该总线协议是命令响应式的。最多可支持3 2 个站点， 传输速度仅为1 m b p s ，只能提供3 0 0 k b p s 的可用数攒流，并且其终端对所接收到的 信息，无法检测其错误和失效情况。显然1 5 5 3 b 系统总线已远不能满足现代战机实 时的信息处理要求。因此有必要对联前我国飞机机载系统的数据传输总线协议提出 改遴，本漾邀正是褒蔽上背景下提密的。 飞机电力线载波数据通信总线技术研究 结合现在发展比较成熟的民用低压电力线载波通信技术，将电力线载波通信应 用到飞机机载机电通信系统上的方案，将对从改进军用飞机的机载通信环境，提高 信息传送的效率和质量，达到改善整个飞机通信系统的性能方面具有重要意义。同 时，开展本课题的研究，对于提高航空电子系统性能的可靠性、安全性和维修性， 实现机载设备的数字化、智能化以及加速航空电子综合化的步伐，推动我军航空装 备的现代化具有实用价值。 1 2 飞机数据传输总线技术的现状 1 2 1 国外飞机数据传输总线技术的发展现状 7 0 年代以来，随着微电子技术、计算机技术以及控制论的发展，使得飞机通信 电子系统迅速发展。1 9 8 0 年美国专门制定了军用1 5 5 3 系列标准和a r i n c 系列标准， 使数据总线进一步规范化。现在自动化程度较高的军、民用飞机，如f 一1 6 、f 1 1 7 、 幻影2 0 0 0 、空中客机a 3 4 0 等都采用了总线技术【9 】。进入9 0 年代以后，美国空军又 开始委托洛克希德、波音以及通用动力公司合作研制第四代战斗机一“f 一2 2 ”1 1 0 1 也是目前唯一面世的新一代战斗机。f 2 2 战斗机采用了星形拓扑结构的高速光纤 总线、点对点高速光纤传输和1 5 5 3 b 总线等。其通信总线技术在外场可更换模件 ( l i n er e p l a c e a b l em o d u l e ，简称l r m ) ( 各模块安装在电母板上) 之间采用高速光 纤总线技术交联。飞机通用设备管理、飞控、外挂管理等则通过1 5 5 3 b 总线互连并 连接到综合机架，提高了信息传输的可靠性和实时性。 美国在1 9 9 2 年委托洛克西德马丁公司和波音公司两家公司竞标研制以第四代 先进的综合航空电子结构1 为基础的联合式攻击机( j o i n t s t r i k ef i g h t e r ，简称j s f ) 。其 技术特点：在第三代的基础上采用了统一航空电子网络并推进传感器系统综合。统 一网络以光开关阵列模块为传输的枢纽，通过光母板和机架间光纤，不但交联了同 一机架内的各标准模块，而且向前连接到传感器区，向后连接到座舱及飞机管理、 外挂管理区。这样，处于不同物理位置的模块间的信息传输时间能够达到同一量级。 实现了容错和重构能力，降低了成本、体积和重量，同时又提高了信息传输和整个 系统工作的性能。 另外，美国汽车工程师协会( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r s ，简称s a e ) 一 直在设法解决先进的航空电子系统对数据总线的需求，它所研制的s a el t p b 主要 用于军机的局域网( l o c a la r e an e t w o r k ，简称l a n ) 。而美国国家标准委员会 ( a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ，简称a n s i ) 的f d d i 网络标准也是一种具 有很高吞吐量的l a n ，能构成单环和双环拓扑。s a el t p b 开始不是为航空电子系 统设计的，经过改进，已经成为民机航空电子系统用的机上局域网总线标准【1 3 1 。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 2 我国飞机数据传输总线技术的发展现状 数据总线技术在我国航空电子系统设计中已有十几年的设计和使用经验| ：1 4 】，但 是我国大多数现役作战飞机仍在使用美国等一些发达国家所提出的第二代航空电 子通信结构一联合式结构”】，也就是在信息链路的最后环节( 即控制和显示器) 形成 资源共享，使用几个数据处理器完成低带宽的数据传输交换功能，如导航、武器投 放、外挂管理、显示、控制等，各单元之间通过m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线交联。 1 2 3 基于民用低压电力线载波的家庭联网技术 为了提供高速数据传输能力，美空军开始组建飞机局域网通信系统，并于2 0 0 3 年1 1 月1 4 日在爱德华兹空军基地对一架c 1 3 5 c “斑点鲑鱼”进行改装，安装机 载局域网系统。可见，组建飞机机载通信系统局域网是目前改进飞机机载机电设备 数据通信性能的一种趋势。由于该局域网没有利用现有比较成熟的民用低压电力线 载波的家庭联网技术，而是采用常用的局域网组建方式，这将导致飞机机载机电通 信系统设备进行改装的费用昂贵。针对这一问题，本课题提出了利用飞机电力线组 建类似民用家庭联网的飞机机载机电设备通信系统局域网，即将各种机载机电设备 通过飞机电力线进行联网，实现资源共享。 民用低压电力线家庭联网技术，英文全称是h o m ep l u gp o w e rl i n ea l l i a n c e ， 简称h o m ep l u g ，又译为家庭插电联盟【1 6 1 。该联盟由松下、英特尔、惠普、夏普等 1 3 家公司于2 0 0 0 年3 月成立，现已发展成为由9 0 家公司组成的企业联盟。h o m e p l u g 技术运用普通的电力线可以传输因特网的资料，所有电话、传真机、电脑及电 视、摄像机等家用电器都可以直接通过墙壁的电线插座互联在起，形成家庭局域 网。 第1 个版本“h o m ep l u g1 0 ”于2 0 0 1 年6 月2 6 日被发布。该技术利用现有的 低压( 11 0 2 2 0 v ) 电力线进行信息传输。介质访问控制子层( m e d i c a l a c c e s sc o n t r o l ， 简称m a c ) 协议采用的是载波侦听多路访问冲突检测( c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，简称c s m a c d ) 的变体协议载波侦听多路访问冲突避 免( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，简称c s m a c a ) ，其数据传 输速度为1 4 m b p s 。其物理层协议基于等空间，1 2 8 路载波，频率从o t t z 到2 5 i n z 的正交频分多路复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称o f d m ) 技 术，对于有效数据交错使用v i t e r b i 和r e e ds o l o m o n 编码，同时针对控制信息运用 t u r b o 编码技术，通常使用其中的8 4 路载波传输数据。 由于存在电噪声，干扰以及信道不稳定等因素，导致了电力线传输信道的工作 环境较差。通过对北京某小区5 0 0 个家庭进行h o m ep l u g 电力线设备测试，其结果 飞机电力线载波数据通信总线技术研究 表明其中8 0 能够有5 m b p s ，甚至更高的传输速率，9 8 支持大于1 m b p s 的传输速 率【1 7 】。 1 2 4 飞机电力线载波数据通信的特点 1 低压电力线载波数据通信现状 在商业应用领域，电力线载波通信是以电力网作为信道，实现数据传递和信息 交换。目前基于电力线进行载波数据通信在电力系统得到广泛应用，其技术现状如 下： 六七十年代以来，利用1 0 k v 以上中、高压电力线作为信号传输通道的电力线 载波电话已获得广泛使用【3 ，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入 和成熟。但是，在2 2 0 v 3 8 0 v ( 5 0 h z ) 低压配电网络电力线上进行信号传输，与高 压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减 强、干扰大且时变性大等特点，从而使数据传输的误码率高、传输速率低、可靠性 差。目前，就载波调制理论研究而言，低压配电网络( 2 2 0 v 5 0 h z ) 电力线载波通 信己从传统的频带传输如幅移键控( a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ，简称a s k ) 、频移键 控( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ，简称f s k ) 和相移键控( p h a s e s h i f tk e y i n g ，简称p s k ) 发展到了扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，简称s s c ) 技术和多载波正 交频分多址o f d m 技术u “。 由于光纤通信技术的飞速发展，高压电力线载波通信将逐步被淘汰。电力线载 波通信将主要在中、低压电力线上应用。以中、低压配电网电力线作为信号载体实 现通信是9 0 年代中期以来各国电力与通信界研究的一项前沿技术【3 “。该技术在电 网自动化、自动抄表、住宅小区智能化等领域将有广泛应用，尤其是对电网的市场 化运行有特别重要的意义。 低压配电网电力线载波通信的发展方向是高数据传输速率、高可靠性，数据传 输速率从早期的4 0 0 b p s 将发展到2 m b p s 、甚至2 0 m b p s 23 【2 4 】。例如，英国n o r w e b 公司于1 9 9 3 年采用s s c 技术，所研究的低压配电网高速数据通信技术已经在2 m h z 的带宽内，达到1 m b i t s 的速率。世界上1 3 家著名芯片与网络公司( 如a m d 、3 c o m 、 c o m p a q 、i n t e l l o n 等公司) 组成家庭插座电力线联盟，旨在推动以电力线为传输媒 介的数字化家庭。2 0 0 0 年4 月，该联盟研究的中、低压配电网高速数据通信的关键 技术多载波正交频分多址技术( o f d m ) 取得了突破，可以在配电网电力线上 实现1 4 m b i f f s 的数据传输。另外，德国已经率先开通以配电网为传输媒介的i n t e m e t 。 近几年，国内对配电网中、低压电力线s s c 通信技术的研究也较为重视 2 。但总 体水平相对落后。如清华大学已开发出基于s s c 通信技术的配电网电力线通信网络 实验平台，在该平台上2 台计算机之间可通过2 2 0 v 电力线实现传输速率为1 0 k b i t s 的数据传输”1 。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 飞机电力线载波数据通信的优点 ( 1 ) 投资少。飞机魄力线通信不需额外布线，可一线两用，降低成本，不增 加飞枫梳舱布局的复杂毪，且飞梳易于维护； ( 2 ) 能组建飞机电力线载波通信系统，类似民用低压电力线载波通信的家庭 联潮系装1 1 8 1 一婆越，帮通过梳舱瘫豹电源搔嶷，将冬耱 龟予设备送行联瓣，在缀大程 度上实现本机机载通信系统硬软件及信息资源的共享； ( 3 ) 传辕速率麦。麸理途上分辑，瞧力线俘为逶信线薅豹传徐速率，稷撂搜 用的频率不同，可达到3 l o m b p s ； ( 4 ) 飞援上爝逛量变化少，邀压波动小，鼹傻飞枫电力线通信稳定性较好， 且安全可靠性高； ( 5 ) 屏蔽性髓好。酋先整个飞机夕 壳就是一个良好的屏蔽翠，其次飞机一般 大多飞行在雷电集中的对流层之上，只在特殊情况下如越飞，降落等穿越对流层。 因此可在很大程度上降低非人为于扰等。另外，低压电力线载波通信可以为国家减 少改进飞辊通信萋穑设蘸的授资费震。 3 飞机电力线载波数据通信的缺点 ( 1 ) 久羹予撬等。人秀于撬楚据壶滚接在舔篷奄力线上的蠲逛设备遮藏静f 2 9 j 。 其噪音是影响数据信号传输质量的主要因索，主鬻有白噪声【2 、脉冲噪声以及周期 噪声等凡糖类型，这穆予貔一般蹩不可避髭戆； ( 2 ) 其次低压电力线载波通讯无论采用何种数据编码进行数据通讯，其载波 中心频率熊选择、中心频率的注入耦合和检出部分电路决定着通讯质量的好坏。 对于低压电力线上的干扰特憔，阻抗变化及信号衰减情况，撮难找到一个较为 明确的解析式或数学模型加以描述，这些对通信系统的设计提出了很高的要求，也 怒严重影响通信质量的主簧技术蘩垒。哥前各国裔关研究人员正程对电力线数据传 输的不足进行深入研究，探寻解决方案，这里本课题只作简单介绍。 1 3 论文的组织结构 圈1 1 飞机机载机电载波通信系统原理框图 飞规邀力线载菠数搭通蕊慧装技术婿变 针对1 5 5 3 b 协议的不足，本课题提出带优先级的p 螭持c s m a c d 总线协议以 取代1 5 5 3 b 协议，并利用飞机电力线作为传输介质建立飞机电力线载波通信系统。 飞撬惫力装载波遗藩系统蘸壤程蚕冕踅i 1 。该谋蘧密佟誊蠢裁萤斌掌共霹整任， 其中刘苗同学负责电力线调制解调技术的研究，作者主爱负责总线技术的研究。 根据所研究的课题内容，论文的组织始构安排如下： 第一章研究嚣荣和总髂没诗。该章主要会绍了飞毂i 枫载瓿电系统数据簧输总线 技术瓣发震状况，我蓬基翦飞凝秘载瓤奄竣毒数据逶铸鹣蠛获毁及家庭联丽技术， 并说明了本课腻的主要研究工作： 第二章建立飞机电力线溅波通信系统髑域网。该窜介绍了飞机机裁机电设备的 分琴渗凌，莠绘出了飞褪毫力线载渡遵蕊系绞蕊慧傣终麓，嚣辩裁飞橇龟力霹翦忍 耱蕻型拓 结拣秘低压电力绞信遵蒋性谶章亍了简要介绥； 第三章关键协议研究。该章分析了c s m a c d 总线协议已有的研究结果，介缁 丁几种总线协议性能特点，并利用软件仿嶷对这几种总线协议的网络性能进行了对 眈分褥，最后挺蹬了裰辩蘩像悫缓p 坚簿- c s m a c d 总线强议； 第四章数掇传输卡的方案设计和关键技术研究。该章设计了数掘传输卡的总体 框架，并在此撼础上简要介榴了d s p 和c p l d 技术，最后详细地给出了d s p 外扩 存德器馥烧写葶l 导过程蠢e p l d 开发过疆； 第五章数据恃输卡的实现和调试。该章分掰详述d s p 与主视之间的u a r t 异 步串行通信、基于d s p 的网络控制器与网线之间的数据燮换和信道编解码的软件实 现，最茬绘赛了实验谲试蓊分褥缭票。 第六章中总结了本论文餍作的研究王律，并提出了在本论文的磺究基稿上主器 后续工作的建议。 蓐 南京航空航天大学硕上学位论文 第二章飞机电力线载波通信系统体系结构 2 1 飞机电力线载波通信系统体系 2 1 1 飞机电力线载波通信系统的网络结构 飞机机载机电设备是保证航空电子系统、飞控系统等飞机系统正常工作以及飞 行人员安全的一些基本机电系统，通常包括电源系统、燃油管理系统、环控救生系 统、刹车系统、液压能源系统和应急动力系统等。 一般而言，飞机上各个机载机电设备都是重叠地分布在飞机的各个部分，如发 动机组位于机翼两侧，燃油油箱在机身的中部、前部、后部和两个机翼上，起落架 和液压动力装置居于左右机翼等。 为了使分布在飞机各处机载机电设备的信息、冗余资源等能够共享【2 ，达到各 个机载设备相互协调工作的目的，这就有必要对机载机电设备进行综合管理和控 制。其次需要减少机载设备处理器之间的连线，以便减少飞机重量，因此在设计飞 机电力线机载通信系统局域网时，必须考虑使一个处理器能够处理离它最近的几个 机载设备的不同功能田j 。 飞机电力线载波通信系统的网络结构框图见图2 1 。 图2 1飞机电力线载波通信系统的网络结构框图 飞机电力线机载机电设备通信系统局域网网络结构与目前常用通信系统的网 络结构不同( 见表2 1 ) ，该局域网只有两层结构 2 8 ，即数据链路层和物理层。 飞枫电力线载波数据通信总线技术研究 表2 t 网络牿构对比表 极亳鸯线枫载褪逛设餐 豁 参考搂壅t c p i p 参考搂型 逶意系统蕊域韪模型 厦互用层 寝示层应用层 会诱珐 数据键黠霎 传赣震姆簸善 网络层网际曩连层 数据链路层 物理层 网络接口层 物理层 2 1 2 各层主要功能 出表2 。l 可知，飞规魄力线载波通信系统燕域网豹黼络结稳主委有嚣层：数搬 链鼹屡 2 9 1 ( d a t al i n kl a y e r ，麓豫d l l 秘耪理垂( p h y s i c a ll a y e r ，简称p h y ) 。冀 中d l l 的主鼹功能是保证相邻站点的弧确传输，使谢噪音和干扰的数据通道近似 成为个无熬错的数据通邋。数据链路层从逻辑上又可分为逻辑链路控制予屡 ( l o g i c l i n kc o n t r o l ，筵稳l l c ) 零夯矮访翘控魏予瀑m a c 。 逻辑链路控制子层l l c 的主要功髓： ( 1 ) 数据链路的建立和拆除，包括同步、站址确认、收发关系的确定等； ( 2 ) 信息传输，包括信息格式、数量、信息编码、接受认可、信息流量调节方爨 等： ( 3 ) 传输羞错控帝包括一套防止信息丢失、重复和失序的方法； ( 4 ) 异常情况处理，包括如何发现可能出现的异常情况及发现后的处理过程。协 议中对冥掌蜷德靛处理主癸趱子发现秘恢复隶久性教障。 奔霞访穗控裁予屡m a e 静主要功髓； ( 1 ) 接收来自l l c 层的数据信息； ( 2 ) 控制使用网络媒体的时间和方法； ( 3 ) 鼗据菇装藏鼗撂鞍并添麓控纂蓑患；下终至l 物理瓣； ( 4 ) 接收来蠡物理层懿数掇帧； ( 5 ) 检验数据帧的控制信息； ( 6 ) 解开数据帧，去掉控制信息，把数搬上传到l l c 燃。 兹理要p i t y 舞主要功戆是提供在数据链露实薄蠲建立、维符及释竣麓嚣镱接 ( 如数据电路) 的有关机械方面及电气方面的功能和靓程。换旬话说，物理层的问 题也就是考虑信息流在通信信道上的传输问题。 s 毒豪簸誊靛秃太掌礤士学谴跫竞 2 , 1 ，3 各层主要技术 菩层爨激爝静关键技术觅蘑2 2 所示。 1 逻辑链辫靛稍层的主要技术 为了在实际链路中正确接收数据帧，确保通信系统的可靠睫，通信系统必颡采 瘸蓑锫蕊裁。麓锩掩裁载霹瀚是蛰簧簸过趣中黄簧瓣、丢失蕊、羹复靛鼗誉誉j 璐恢 复。差错控制方法有多种：前向纠错( f e c ) ，自动请求重发( a r q ) ，f e c a r q 瀵台方式鄹交缀方式 2 ，菸中叁动谴求燕发又专三攀誓实理方法：露止等待方式，遴 续薰发方式鞠选择熬发方式。 d l 乙 箨盘一等蒋a r q 技术 带优先缎控制p 坚持 - c s i v l a c d 总线技术 隧2 2 番詹所采臻麓关键技术示意謦 虽然裁觏翱锫，f e c a r q 混合方式帮变织方式三静方式社苟与稻麓请求重绞方 式相比具有露时纠锚、系统抗突发干扰能力强等特点，但其相应的译码设备复杂， 抟滚逮率较镘。焉褒蠢饕黧发实蠛瓣三秘方式孛，逡缕重袋方式秘逡撵重绶方式在 磷件和软件，t 的开镝比较大，当通倍链路长度不是缀大时，停止等待方式的综合利 煺攀最褰，鞭越综合考虑敷土壤猿积已旌瓣程关礤宠，零谍题瑟礤宠兹撬载援电设 备通信系统 勺逻辑镳路控制层将采用停止等特( a r q ) 方式。 2 。套凌诱麓羧麓瑟瑟麓理鼹静数簧终羧协议 在整个涵倍系统中主瓣完成数据传输的是介质访问控制层和物瑗层【2 鼾，这两瞪 的版采用的数据传输协议旃多种：命令，晌皮式协议、c s m a c d 协议、t o k e nr i n g 捺议、t o k e nb u s 协议、f 蛰蕊蛰议鞠t o k e n - c s l v d k c d 浸金游议等。 各静数瓣簧输秘议的褥点如下： ( 1 ) 命令，桶疲协议晌优点：始终肖一个颈浚鹩控制站点在越 搴麓。辩果有缀 多终端在任意时刻都是空闲的，这时它的效率最高。控制器一直等剥控制稔序确定 菜终壤畜游惑要发送霹，方会彝终臻诲瓣。其装点楚：系绞串一鲢霄饪留变稼，恿 线接涮器的软件都黉随之激变。而且，当健输萤的分布均匀时，其效举会降低。1 5 5 3 b 惑线裁是慕怒该协议1 3 0 1 。 ( 2 ) 传统型的c s m a c d 总线协议【3 1 1 的优点：终端( 予系统) 可以从总线中 艇入或藤酴，对任籍菲接日枣臻舔滗霉敬交。可以激鞍经济戆蘅嵇实蕊高遴传输， 艇不用m o d e m ，任何站点可以在网络逡行中安装丽不必中止网络工作。在传输负 载较轻时，c s m a c d 的工作效率最高，但当重复传输增加，传输受载很重时，系 统藏会迅速娥溪 之，壹至攒溃。另努，运辩协议簸访阉酶站点无钱先级别。 肇 飞梳电力线载滚数据通信总线技术研究 ( 3 ) t o k e n r i n g 协议优点：新的终端( 子系统) 可以很容易地进入或退出网 络，蔼无需修改现存网络。若采用i b m 电缆系统时至少可接2 6 0 个工作站，连接 躐离可达3 0 0 m 以上。当圈络申静传簸蚕分布均匀时，令牌传递协议懿效率最高。 如果有很多终淌空闲，则由于空闲终端仍然继续传递令牌，使效率降低。如果网络 中有一个令牌避配器的接受溅发送出现故障，令牌环就停在那里【3 引。 t o k e nr i n g 协没魏弱点在于当误羁嚣致令簿丢失时，要挟速基愈有较大难度。 大多数协议用随机方法恢复令牌，a r c n e t 便是一个典型的例子。有时误码电可能 造成多令牌的产生，这时也浠要一个恢复令牌的过程。 ( 4 ) t o k e nb u s 协议同t o k e nr i n g 协议一样都是錾于令牌的传递协议。t o k e n b u s 协议爱域戮缓羁最主要戆特点；貔毽主是一令蕊绞瓣，在逻辑羔楚令薅嚣：具 有总线网的“按入方便”和“可靠性较高”的优点，同时具有令牌网的“无冲突” 和“发送时延有确定的上限值”的优点。 t o k e nb u s 协议存在以下不足：确定接收空令牌的下个站点比较复杂。如果 礴个菇点有籀瀚躲遣缝，它们会同眩确鼍走令薅，从蕊等羧逶信暂时终盎，这种闻漱 将持续至错误被纠正。另一个问题发生在站点进入或离开令牌总线时，整个总线必 须自动重新进行配置，以确定总线上的站点地址序列，使令牌有序地氍总线上传递。 黧耨嚣要灏嚣豹时闻与总线上熊站点数或跑铡，翅暴菜站点失败，邋过著门猖是时 嚣斡频繁复位控制站点离开线进入网络，母致总线不断魂进行重薪飘置而使总线失 效。 ( 5 ) f d d i 是1 0 0 m b p s 的局域网络 3 4 i 3 5 1 ，它使用光纤作为传输介质并且建立 在双令薅琢蛰议懿基疆上。f d d i 具有藏露靠，蓬，毽篡存在蛰络太麓熬获点，嚣此 使用尚未普及。 通过以上对各种总线协议的特性进行比较，同时借助于文献 2 9 1 给出的研究分 橱结果，可以知道在重载网络下，有优先救的奔质访嘲控制协议比熬于令牌传递鹩 协议好。冀次考虑妥聿兄载浚备与驾襞麓之阗静逶蓿数搽，主要为控澍命令、设备状 态信息等，每次传输的数据总量不太大，主要要求信息传输的实时性和可靠性。因 此，本课题将采用带优先级控制的p 坚持c s m a c d 总线协议，并在论文第三章中 麓点分橱其工 餐鹱理和稳关协议熬缝对比分辑。 2 2 飞机电力线信道分析 鋈葬，大瀑分数字信号健辕系统都怒萋子双绞线、瓣辘龟缓袋竞纤光缆等魏瑷 媒介进行通信的。这些通信线路，虽然通信容量较大，但造价高，维护困难，尤熊 对一些旧设施的通信系统改造就更加不易。相反，利用现有电力线进行载波通信可 以大大地减少投资和对线路的维护成本。下嚣对信号处理和调制的方法不 乍避一步 磷究， 又仅了解一下飞祝嚷力隧典型静a 个拓矜结秘、迄力线僖遂容量、电力线信 南京髋空航最大学硕士学位避义 道对数据邋髅的干扰源，璎想电力线绩道模型秘魄力线信逆的传输特性。 2 2 1 飞机电力网典型的拓扑结构 对飞戡惫气设备系统憨分辑表甓，飞瓿上大终擎g 敷上豹魄嚣露题交滚魄王俸 社”，焉奁瑗代飞糗交浚供龟系统中，又有擎耨窝三藤嚣穆邀力嬲。攀穗窀力潮豢毫 系统比较简单，般被艘用到辅助供电的交流系统中，而作为主电源系统，则都采 用三相供电粼统。 a e 强2 3 弦藐接舞串绞瓣三德电力黼零意蟊 謦2 4 串患缝缘魄兰翘电力翘结拇示意强 图2 5 以飞机惫体为第三相导线的双线嗽力网示意图 l e 机 强力畿载波鼗攥惩落墓线技术研究 在三相交滚供电系统中，其电力网拓拎鲑梅有三种形式：以飞桃壳体为嘻| 线婚 三稠囤线蠢电溺( 觅鞠2 ，3 ) ，中线不接遗酌三相也黼( 见溺2 t ) 和以飞祝壳体、勾 第：二棚导线的取线f 巳嘲( 见阁25 ，其中戚用最为广泛的是第一种三相交流电网。 遮释 汪臻鞠特点是在同一宅源中可获撂两静电压( 帮耩电压i 5 0 v 稻线电j _ j i2 0 0 v ) ， 这样町使连接在笄相上的负载相等以保持i 相交流系统的对称。 2 2 2 电力线信道对数据通信的干扰 l - 电力线信道容量 趋力线信道骞燮出信遂本身鲍特短( 带宽、信噤泷) 泉决定，与具体鲍遵信手段 无关阁。 对于理想信道，根据奈娄颠特定l 墨( n y q u i s t t h e o r y ) ，如粱信道带宽鸯h ，码元 获惑散为n ，戴信道的最大数据传输速度n ：s 。、= 2 h l 0 9 2 n ( b p s ) ，而实际信道的噪 声限制了n 的无限增长。根掘香农定理 5 3 j ( s h a n n o nt h e o r y ) ，带宽为h 的有噪信 遭，避丈酚信道喜羹为：e 音 i 。9 2 ( 1 + s n ) ( b p s ) ，其孛s n 为信磉磁，所疆蔽据香 农定理，各种信号处理和调制的方法不断出现，目的都是为了尽可能接近传输速率 蕊校鞭。 2 电力线信通上的干扰 在数据透信系统中，提凑数挺簧输酶可靠往窝吞睦量蔗 器关筵斡，餐影酾鼗撂 通信可靠性和吞吐鬣的因素又极为熨杂，下硒只简单分析几个影响数据通讯质量的 主要圆素。 低压电力线上的干扰可分为人为干扰和非人为干j ； c 1 3 7 】。 非人为予扰是由予雷电等鑫然现象对电力线上信号造成蟓于拢，鼹随极发生鲍， 瞧它不是影# 澎信号传输质量的主要戳索。 人为干扰是指出连接在低压电力妓上的用电设备造成的。其噪蕾是影响数据信 号传输矮量的主要霹豢。夫至有以下凡秘。 ( 1 ) 与4 0 0 h z 电源电压频率同步的噪音。它主舞由低压电力网上电力设备的 秀美镑接造成鹃。可控硅等电子电力嚣箨蹲毫压曩三弦渡形造成畸变，使毫嚣含有吾 次谐波组成的复杂波谱源。 2 ) 臼噪声。它是信号传辕中篷车懿起伏于撬，主要有热礤声笛，它 f j 鬈鼠 高斯分配规棒。此外还有低压电力线添统中电动机产生的干扰噪声。 ( 3 ) 默冲噪声。在时间圭它是无怒剐静，扶频灌戏絮，l a 低联裂高额帮蠢脒 冲噪声，随机地对数据信号传输进行下扰。电网中在用电设备起动时能够产生这种 旦衣冲t 执。 ( ) 溺瀚整嗓声。它是一正弦波干扰，但幅度、额率、相位事先部不能预知。 这种干扰的特点是占有极窄的频带。 瘫袁统空魅最大学袋士学巍谂交 以上大部凳噪声源都是髓机产生的，不可预知，不能用牲合连缕融数规裙的数 字交逸式亲攒建。飞嘏凑不阏褥篱奄隧蠛，静静臻声魏分帮嘏否蓊。所苏藉裁渡串 心频搴的选撵应有很高的要求。 2 2 3 电力线信道的网络特性 1 墩力线理想信遗传输模掇 一般寒谈，电驻，窀容裙瞧感筹爨逮杰线主参登，枣惫克凌憝鐾褒筵稳、薅羁 莉介嘏常数游因素决怒的。在导线尉黼绝缘介质中的隧量损耗用分流电导o 液示。 文献 3 8 1 绘墩了单位长度电力线信遨璎想模型，搦熙2 6 爨示。 g 强王6 攀整最袋电力凌僖递理葱耩整 圈中l 一串联电感；c 一母体间的电容：r 一传输线的电隰；g 一转流电肆。 蠹子囊怒兹亳力畿蓓遂邀隧帮趣褥g 禳枣可臻惑豁，荦秘长菱诋压龟力线载波 通讯数据信号传输模型可以大大被简化，这样只需考虑网络的特性臌抗。而影响电 力线鼗浚蠢遂瀛逡撬囊毪魏主要嚣索褰嚣上燕爨载辫抗。 由于低臌电力网中不同分支上连接着不同类型的用电设餐，其负载各不相同， 无法敲鬟瑾懋溪墼系统魏溪撬廷蠢，器蘩 鞋拣鹣变强滗瑾慧状态下羹杂。 文献【3 8 】中的研究表明随潜传输躐离的变化，电力网阻抗也会酸之变化，因此 麦了爨霹缝姨遥透露络疆撬殛配，一般对逶瀑难赛骞一定鲮隈麟。 2 理想电力溅信道瀚传输特髋 l h t 让， k 一u t 吖。 n c# e 蓊2 7 怒戆羝蘧姆牲 由于实际传输系统中的魄力线的频带宽威有限，文献 3 8 】提出信道传输特性可 爱等效理惠鬣淹将洼泉透辍裹暴；黧嚣2 7 掰示。爨孛辑示黪牲是襞邂嚣鼗鞭。 最浮= 卜扣譬l 黧 式中：t d 一信号濑过滤波器的延迟时间；t d 一滤波器的娥性梢糁特性；c 一 飞枫电力线载波数据遴信总线技术磺究 低通滤波器截止角频率；k 一通带内传递系数，可令k = 1 。 漫一输入薅号为挚位冲激稼泞，透过这耱理想繇通抟输特往鑫冬瓣络进行传输， 根据数字信号传输的奈奎斯特准则，对数字码流的抽样判决点在n t ( n = 0 ，l ， 2 ，) 罩表示数字售号阙疆时润) ，裁露戬完全实瑷溪狳数字蕊号簧辕弱符号 间干扰。但这只是一种理想情况，实际传输网络是达不到的。 投据国内外对堍力线售邀的研究，总的来说，惫力线售道一般舆套对变特蛙， 干扰噪声、嶷减特性和阻抗特性等，文献【3 6 】也给出了大量的电力线信道的实测数 据，从面可以把握电力线通信信道的一些主要特点如下： ( 1 ) 时变特性：针对我国飞机大部分采用的是1 1 5 v ，4 0 0 h z 交流三相四线供 电的用电设餐，在电网负载地不断接入、切出，电器有开有关等各种随机事件影响 下，电力线信道呈瑶滋穰强豹辩变特谯。低邀电力线在l s 内可对莱一频率信号的衰 减变化达到2 0 d b ，因此不能利用简单的电服检测方法来确定线路信号。同时，在 l s 蠢信嗓毙瓣交往逡蜀达囊1 0 d b 左右。 ( 2 ) 干扰噪声：噪声干扰特性前面已鳋做了简述。 ( 3 ) 衰减特建： 曩压魄力线一般麦钢或其它毫瓣莛导傣热工瑟残，葵本鸯静 阻抗很小( 根据导线的电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其阻抗略 有变化且相辩稳定。 湿然电力线本身的阻抗不是产生衰减的主要原因，对信号衰减影响很大的是电 力线上并联蔚的负载。那些熙于调整电网功率因数的大电容，对几百k h z 的泼波逯 信信号而言，就相当于短路。另外，当负载徭小时，发送耦含电路的内阻也不可忽 视，它会分去相当一部分的功率。一般而言，信号裁减由耦衰减和线路衰减两部 分缝袋。理论上，螽采将藕合器内阻徽褥很小，信号衰减就主要取决予线路盼衰减。 文献 3 6 】的实验数据表明，信号的衰减魑距离的函数，一般为4 0 1 0 0 d b k m 。 ( ) 毽撬特瞧：壶电力线懿衰躐特淫可知，电力线静瓣获特，陵氇主要决定予 电力线上所按入的负载阻抗特性。而负载是针对电力频率设计的，一般低频阻抗较 小。翔文献【3 锤给窭熬实验数握表明窀力线臻遂疆撬瘟该隧羲频率静嚣高嚣舞裹。 因此，如果输出阻抗不能与线路阻抗相匹配，则信号能量就不能有效输出，从而造 成对数字信譬传竣质爨的影响。 通过电力线信道传输特性的复杂多变可知，要想利用低胍电力线在飞机机载机 电系统设备问进行较为理想驰数据健输，达到专业遴信的标准，必须从多方藤综合 考虑，如要宥较高的频谱利掰率以适应电力线信道有效带宽窄的特点；要有好的功 率利用率，可以把功率集中穰有效的频带中降低功率损失；窄带频率的选取尽可能 佼电力线呈蠛较高静输入阻抗，戳减少对载波信号的衰减；较强的嗓声抑制功能， 在低噪声的环境下仍能正常工作等等，从而可以选择种最健的通信方案。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章 带优先级控制的p 坚持一c s m a c d 总线协议 3 1c s m a c d 总线协议现状 3 1 1c s m a c d 发展状况 c s m a c d 是i e e e 8 0 2 3 标准规范的载波侦听多路访问冲突检测总线协议。 该协议是局域网中使用最广泛的一种c s m a 协议，其网络拓扑结构采用了总线形 式，网络各站点以竞争方式对总线进行访问。c s m a 工作的要点是：每一时刻总线 上只允许一个站点进行数据传输，因此某站点发送数据前先侦听总线上是否有载波 存在。如果总线上有两个以上站点同时发送数据，就会导致碰撞发生，各站均需后 退一个随机时间后再重新发送1 4 “。 c s m c d 的基本思想可以追朔到七十年代美国夏威夷大学n a b r a m s o n 及同 事在无线网络a l o h a 系统中的研究工作。a l o h a 系统的工作原理很简单，网站 只要有数据发送时就强行发送，如果该站发送的帧与其它站的帧在空间发生碰撞而 遭破坏，就会被检测到1 4 3 】。被破坏的帧等待一段随机时间后被重发。 c s m a c d 与a l o h a 访问方式的共同点是冲突检测和出现冲突后都等待一随 机时间后再重发。不同点：a l o h a 系统只要有数据发送，就不顾其它站是否已在 发送数据，这样导致站间发生冲突的概率较大。当负载增加时，碰撞次数也随之增 加，a l o h a 系统的信道利用率仅为1 8 。而c s m a c d 是通过发送数据前对通信 介质上的载波进行侦听，确定没有数据传过来时，再进行数据传送，这样可以减少 站间传送冲突。 c s m a c d 协议有时也被称为“传输前及传输中侦听”协议。与普通的c s m a ( 只是“传输前侦听”) 相比，该协议的主要优点是发生碰撞后就不浪费时间去传 送以后必须重发的那部分信息( 此部分信息由于碰撞的出现不可能完好地到达目的 站点) 。c s m m c d 协议因碰撞而浪费的传输时间m 】见图3 1 。这样可将所节省下来 的信道传输时间供给别的用户如站点c 使用，从而提高了网络的利用率。 系统 a b 其余部分不发送 c - 一浪费的时间 二二二二互垂亘蔓匡二二二 图3 1c s m a c d 方式碰撞时间分析图 飞机电力线载滚数撰通信总线技术研究 对于已发生碰撞的站点a ，将停止数据发送。如果该站点仍需麓发己被破坏的 数撼，则有两秘选择：一是继续侦听总线媾汉，一旦搽测到总线“窆闲”，就以袋 静概率开始发送数据；二是簿待一随机时段后再对总线进行侦醑，镲待的随机时阕 是通过二进制指数退避算法计算得到的。后者是非坚持侦听型c s m a 协议，前者魁 峰持侦听型c 8 m a 协议。 坚持续暖黧c s m a 秘议凝摆发送掇攀懿不嗣又霹以分裁：i 坚黪一c s m a 协议 和p 坚持一c s m a 协议。目前使用较多的怒发送概率为l