技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及現(xiàn)場總線通信領(lǐng)域，特別涉及一種通過光纖、以太網(wǎng)傳輸?shù)牟捎锰囟〝?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的命令響應(yīng)式高速總線數(shù)據(jù)傳輸方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)是航空電子系統(tǒng)的的關(guān)鍵技術(shù)，航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)則是其關(guān)鍵的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，現(xiàn)有機(jī)載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要基于以下幾種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一是MIL-STD1553總線標(biāo)準(zhǔn)，二是基于光纖的FC-AE-1553總線標(biāo)準(zhǔn)，三是基于以太網(wǎng)的AFDX總線標(biāo)準(zhǔn)。

MIL-STD-1553總線是美國專為飛機(jī)設(shè)備指定的一種信息傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)性可靠性高，其總線工作頻率為1Mbps，采用曼徹斯特II碼，半雙工工作方式，主要的硬件部分為總線控制器iC，遠(yuǎn)程終端iT以及可選的監(jiān)控器iM?？偩€最多支持31個(gè)遠(yuǎn)程終端，信息格式有10種類型，其消息的發(fā)起者均為總線控制器iC。

國內(nèi)航空航天設(shè)備仍然大量采用MIL-STD-1553B總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而MIL-STD-1553B總線在支持終端聯(lián)機(jī)數(shù)量、傳輸速率方面產(chǎn)生了瓶頸。隨著航空航天設(shè)備的發(fā)展，電磁干擾和電磁脈沖對MIL-STD-1553總線的影響越來越嚴(yán)重。

FC-AE-1553是將MIL-STD-1553B協(xié)議映射到光纖通道上得到的“吉比特1553”協(xié)議。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性、魯棒性、容錯(cuò)性差的特點(diǎn)，使之不能在實(shí)時(shí)性高的航電領(lǐng)域發(fā)展，AFDX總線標(biāo)準(zhǔn)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來，采用冗余結(jié)構(gòu)、流量控制、VL虛鏈路等技術(shù)消除傳統(tǒng)以太網(wǎng)的弱點(diǎn)，使適應(yīng)航電總線領(lǐng)域。

上述三種技術(shù)在報(bào)文負(fù)載比重方面均有較大的開銷，AFDX的最小命令需要48個(gè)字節(jié)，F(xiàn)C-AE最小命令需要36字節(jié)，既降低了總線有效帶寬，同時(shí)也增加了單個(gè)命令的延遲時(shí)間。另外上述三種技術(shù)主要應(yīng)用在民用領(lǐng)域，采用多層次協(xié)議體系，報(bào)文層層嵌套。如果轉(zhuǎn)為軍用時(shí)，由于其調(diào)度一般在較高層次發(fā)生，因此其調(diào)度時(shí)間不可避免的在不同層次間消耗，在同等速率下的平均調(diào)度時(shí)間受協(xié)議層次影響很大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種通過光纖、以太網(wǎng)傳輸?shù)牟捎锰囟〝?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的命令響應(yīng)式高速總線數(shù)據(jù)傳輸方法及設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種數(shù)據(jù)傳輸方法，將數(shù)據(jù)按特定的幀格式封裝成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，所述特定的幀格式包括以下字段：

常量字段：Proto、Version字段，分別為報(bào)文遵循的協(xié)議以及協(xié)議版本；

消息控制字段：Pv，用來指示數(shù)據(jù)幀是否為廣播消息；Priority，標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級；Retry，重傳次數(shù)標(biāo)志；

源地址、目的地址、目的端口字段：Source iT、Dest iT、iPort，用來指示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址；

數(shù)據(jù)幀特性字段：Frame Index，多幀序號；Payload Length，數(shù)據(jù)有效負(fù)載長度；Flags，數(shù)據(jù)幀標(biāo)識；Response Code，數(shù)據(jù)響應(yīng)標(biāo)識；

命令特性字段：Command Seq，用于標(biāo)識總線消息的唯一性序列；RP，標(biāo)識數(shù)據(jù)幀是命令還是響應(yīng)；Command，總線命令編碼；

校驗(yàn)字段：Frame Check Sequence，用于CRC校驗(yàn)。

所支持的數(shù)據(jù)傳輸類型包括以下一種或多種：主控制器發(fā)送或廣播數(shù)據(jù)幀至遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)；主控制器請求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)至主控制器；主控制器請求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到另一遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)；遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送或廣播數(shù)據(jù)至另一遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，不由主控制器發(fā)送命令；遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有最高優(yōu)先級的中斷消息，該中斷消息只被主控制器響應(yīng)，主控制器預(yù)先安排中斷消息向量表，中斷消息觸發(fā)某中斷向量，執(zhí)行固定的總線調(diào)度；由主控制器依據(jù)周期間隔定時(shí)廣播周期控制消息，總線上的所有節(jié)點(diǎn)遵循周期控制消息發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，所述數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備包括：

封裝單元，用于將不同類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按權(quán)利要求1所述的特定幀格式封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀；

發(fā)送單元，用于將封裝好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至接收方；

接收單元，用于接收其他設(shè)備發(fā)送到本設(shè)備的數(shù)據(jù)幀；

解析單元，用于對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析；

處理單元，用于根據(jù)解析單元的解析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。

與前述現(xiàn)有技術(shù)的三種標(biāo)準(zhǔn)相比，本發(fā)明的基于特定幀格式的數(shù)據(jù)傳輸方法由于有效包頭長度大大減小，既提高了總線有效帶寬，同時(shí)也降低了單個(gè)命令的延遲時(shí)間。

附圖說明

圖1示出本發(fā)明所述傳輸方法中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出本發(fā)明的iC-iT消息（或廣播）示意圖。

圖3示出本發(fā)明的iT-iC消息示意圖。

圖4示出本發(fā)明的iT-iT消息（或廣播）示意圖。

圖5示出本發(fā)明的iT-iT直傳消息示意圖。

圖6示出本發(fā)明的總線中斷消息示意圖。

圖7示出本發(fā)明的UPID組成示意圖。

圖8示出本發(fā)明的采用特定數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。

具體實(shí)施方法

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供一種采用特定數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的命令響應(yīng)式高速總線數(shù)據(jù)傳輸方法，總線傳輸速率范圍為10Mbps/100Mbps/1000Mbps，2Gbps/4Gbps/8Gbps，兼容光電兩種接口方式。采用數(shù)據(jù)幀協(xié)議層次一致性，減少幀頭冗余過大，降低平均調(diào)度時(shí)間。

為數(shù)據(jù)傳輸所設(shè)計(jì)的特定數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，對各字段的解釋如下：

1 常量字段：Proto/Version分別為報(bào)文遵循的協(xié)議以及協(xié)議版本，長度分別為8比特及4比特；

2 消息控制：Pv用來控制數(shù)據(jù)幀是否為廣播消息，長度為1比特；Priority，標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，長度為3比特；Retry為重傳次數(shù)標(biāo)志，長度為2比特；

3 源地址、目的地址、目的端口：Source iT/Dest iT/Subaddress，用來指示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址，長度均為16比特；

4 數(shù)據(jù)幀特性：Frame Index，多幀序號，長度為8比特；Payload Length，數(shù)據(jù)有效負(fù)載長度，長度為16比特；Flags，數(shù)據(jù)幀標(biāo)識，長度為8比特；Response Code，數(shù)據(jù)響應(yīng)標(biāo)識，長度為16比特；

5 命令特性：Command Seq，用于標(biāo)識總線消息的唯一性序列，長度為14比特；RP，標(biāo)識數(shù)據(jù)幀是命令還是響應(yīng)，長度為1比特；Command，總線命令編碼，長度為7比特；

6 校驗(yàn)：Frame Check Sequence，用于CRC校驗(yàn)，長度為32比特（4個(gè)字節(jié)）；

7 負(fù)荷：Payload，用于承載實(shí)際待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

本協(xié)議采用層次一致性幀頭，上述的幀頭在MAC層、鏈路層、傳輸層中均可見，包括Frame Check Sequence在內(nèi)其有效包頭長度為20個(gè)字節(jié)。

節(jié)點(diǎn)支持最多65536種數(shù)據(jù)類型

一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)可能包含多種數(shù)據(jù)類型或多種用途，Subaddress字段用于區(qū)分目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型或數(shù)據(jù)通道，16位寬的Subaddress最多包含65536個(gè)數(shù)據(jù)類型，完全滿足現(xiàn)有傳輸需求。

報(bào)文長度優(yōu)化

本協(xié)議在實(shí)現(xiàn)命令響應(yīng)等命令方式的前提下，控制協(xié)議幀頭的長度為20個(gè)字節(jié)（包含校驗(yàn)），顯然在同等線路速度下，本協(xié)議網(wǎng)絡(luò)報(bào)文吞吐率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)一般硬件設(shè)計(jì)最優(yōu)化（存儲器4KB邊界條件，DMA傳輸效率等）長度以及串行收發(fā)器穩(wěn)定傳輸?shù)目紤]，限定本協(xié)議的最大傳輸單幀為3968 Byte，不足4KB的128個(gè)字節(jié)用于應(yīng)用層、監(jiān)控等功能擴(kuò)充需要的幀信息。

命令響應(yīng)

命令及應(yīng)答類型由Command字段定義，RP標(biāo)識當(dāng)前報(bào)文為命令還是響應(yīng)。本協(xié)議節(jié)點(diǎn)支持主控制器（iC）、遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)（iT）、總線監(jiān)控（iM）三種類型。支持的命令包含下述基本類型：

1 iC-iT，主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)幀至遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)(或廣播)；

2 iT-iC，主控制器請求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)至主控制器；

3 iT-iT，主控制器請求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)2（或廣播）；

上述三種類型為一般總線具備的數(shù)據(jù)傳輸能力，在此基礎(chǔ)上，本協(xié)議制定了下述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸類型：

1 iT-iT直傳消息：遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)1直接發(fā)送數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)2（或廣播），不由主控制iC發(fā)送命令；

2 中斷消息：遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)iT發(fā)送的具有最高優(yōu)先級的短消息，類似于傳統(tǒng)的硬件中斷，中斷消息只被iC響應(yīng)，iC節(jié)點(diǎn)預(yù)先安排中斷消息向量表，中斷消息觸發(fā)某中斷向量，執(zhí)行固定的總線調(diào)度；

3 周期控制消息：本協(xié)議在保證總線的確定性上提出了周期控制消息，周期控制消息由iC依據(jù)周期間隔定時(shí)廣播，總線上的所有節(jié)點(diǎn)遵循周期控制消息發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，保證總線調(diào)度的確定性。

周期與命令響應(yīng)

總線上的消息分為周期消息與非周期消息，周期消息一般由iC控制器預(yù)先安排的指令調(diào)度產(chǎn)生，每一條消息可以安排單周期執(zhí)行次數(shù)以及多周期執(zhí)行間隔。

非周期消息由應(yīng)用層隨時(shí)插入，適用于突發(fā)以及不定數(shù)據(jù)間隔的數(shù)據(jù)傳輸。

總線上的每條消息均包含命令以及可選的響應(yīng)。

iC-iT消息（或廣播）是iC向iT進(jìn)行控制或發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，基本過程如圖2所示。

iT-iC消息是iC請求iT發(fā)送數(shù)據(jù)至iC的過程，基本過程如圖3所示。

iT-iT消息（或廣播）是由iT向iT進(jìn)行控制或者發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，基本過程如圖4所示。

iT-iT直傳消息是由iT自我發(fā)起的向其它iT獨(dú)立進(jìn)行控制或者發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，基本過程如圖5所示。

中斷消息是由iT向網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)制廣播數(shù)據(jù)或狀態(tài)的過程，其基本過程如圖6所示。

中斷消息只能由iC處理，并且iC依據(jù)事先編排好的向量啟動(dòng)中斷消息處理調(diào)度程序。

采用上述特定幀結(jié)構(gòu)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還支持冗余管理與重傳。冗余管理在鏈路層完成，其實(shí)現(xiàn)基于一個(gè)48比特的鏈路層唯一標(biāo)識UPID，UPID的組成如圖7所示。

UPID’48b = CSEQ’14b + Retry’2b + SiT’16b + RI’1b + CMD’7b + FIDX’8b

鏈路層依據(jù)UPID的唯一性對可能接收到的冗余報(bào)文進(jìn)行過濾。

標(biāo)識Retry為2bit字段，最大重傳次數(shù)為3次，重傳依據(jù)為目的節(jié)點(diǎn)沒有在規(guī)定時(shí)間給出應(yīng)答。重傳次數(shù)超過三次后，返回鏈路層傳輸失敗標(biāo)記。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例提供一種采用特定數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，如圖8所示，該通信設(shè)備包括封裝單元、發(fā)送單元、接收單元、解析單元、處理單元，其中：

封裝單元用于將不同類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按圖1所示的幀格式封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀；

發(fā)送單元用于將封裝好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至接收方；

接收單元用于接收其他設(shè)備發(fā)送到本設(shè)備的數(shù)據(jù)幀；

解析單元用于對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析；

處理單元用于根據(jù)解析單元的解析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)傳輸方法及設(shè)備中，各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行分類,發(fā)送方根據(jù)分類結(jié)果把不同類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按圖1所示的幀格式封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，然后進(jìn)行傳輸，接收方對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析后再做相應(yīng)的處理。由于包括Frame Check Sequence在內(nèi)的有效包頭僅為20個(gè)字節(jié)，與背景技術(shù)的三種標(biāo)準(zhǔn)相比，數(shù)據(jù)幀包頭大大減小，既提高了總線有效帶寬，同時(shí)也降低了單個(gè)命令的延遲時(shí)間。

通過以上的實(shí)施方式的描述，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件的方式來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過硬件，但很多情況下前者是更佳的實(shí)施方式。基于這樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲在可讀取的存儲介質(zhì)中，如計(jì)算機(jī)的軟盤，硬盤或光盤等，包括若干指令用以使得一臺計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述的方法。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。