基于SAE_AS5643协议分析及改进设计实现_何向栋.pdf

引用格式：何向栋，陈长胜，眭畅豪 基于 协议分析及改进设计实现 电光与控制，（）：（）：基于 协议分析及改进设计实现何向栋，陈长胜，眭畅豪（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安）摘 要：针对高速串行总线 的特点，分析在此基础上的 协议在航空安全关键领域的应用。研究了协议技术特点，分别对时间同步、数据通信、根节点、拓扑和带宽等确定性方面展开阐述，结合时间触发的优势，对 协议进行改进，具体对时间触发调度、发送接收时刻等功能进行改进，提出了一种基于 协议的时间触发调度设计架构，使其在未来高速（，等）通信应用中进一步提升航空安全关键系统应用所需的鲁棒性和确定性。对实现的设计方案进行 级实现及仿真分析，验证了通信的正确性。关键词：时间触发总线；安全关键系统；时间同步；控制计算机（）；远程节点（）；启动帧（）中图分类号：文献标志码：（）：（）：；（）；（）；（）引言 协议（简称 协议）于 年由汽车工程学会 任务小组提出，其主要应用于军事航空领域，有异步流包格式、固定帧速率同步、静态分配通道号、预分配带宽、垂直奇偶校验、循环冗余检验、匿名签署消息等特点，并已成功应用于美国 联合战斗机（）项目及 无人机。收稿日期：修回日期：基金项目：国家某重点基金项目（）作者简介：何向栋（），男，山西长治人，硕士，高工。现有国内基于 协议的节点收发控制器，对发送控制和接收配置采用独立设计的方式，其设计配置容限条数直接限定了不同功能系统对节点的通信配置需求，导致出现多种配置模式的节点类型。鉴于此，本文提出一种基于 协议的收发控制改进设计，采用发送和接收集成的配置形式，且具有时间触发特性，具有较高的灵活性，满足不同功能系统对节点的通信收发配置需求，极好地适应了复杂情形下的通信要求。协议分析作为一种确定性安全网络，协议采用 第 卷 第 期 年 月 电 光 与 控 制 何向栋等：基于 协议分析及改进设计实现异步流包固定帧速率的传输方式，通过强制根节点、静态分配通道号及控制传输偏移等技术手段实现了确定性传输，并通过增加垂直奇偶校验（）等方式，进一步加强数据完整性，确保其应用在关键安全可靠领域。调度策略 协议基于帧周期调度。在一个帧周期内，总线上每个通信节点基于启动帧（）数据包的偏移时刻进行数据收发，每个通信节点有且只有一个预定义的发送偏移和接收偏移时间，所以在设置 周期时，系统设计者需要兼顾系统对数据的实时性要求、带宽要求以及系统计算响应能力等方面综合考虑帧周期及各个节点的通信偏移值。如图 所示，协议按照（）周期调度，每个通信节点按照预先定义的时间周期进行通信调度，在一个完整的帧周期进行时间片划分，以保证每个通信节点有确定的通信带宽。在一个 环内，以及对于总线内所有节点，每个节点的时间片的长度以及周期内不同节点的发送次序都是相同和固定的。图 总线通信调度示意图 总线通信调度的具体操作如下。总线初始化和配置结束后，每个远程节点必须等待 发送的 消息。如果需要，在 消息后远程节点必须检查从 接收到的第一个有效消息，以确认其新的 偏移。根据协议设计，当每个远程节点要发送数据给控制计算机（），必须为每个远程节点分配一个与 相关的时间（传输偏移），每个远程节点都必须有重新配置传输偏移时间的能力，并且只是在上电 初始化时配置一次。每个远程节点必须有在系统分配的时间发送数据到 的能力。如果一个节点有多个消息要发送，包括向 以及其他远程节点发送的消息，这些消息必须基于 发送偏移时间依次背靠背发送。向 发送的消息必须首先发送，接着是依次向其他节点发送的消息。根据协议设计，每个远程节点必须分配一个与 相关的时间，来接收来自 的数据，此时间根据系统实现的要求是 帧率的 。每个远程节点都必须有重新配置接收来自 数据的偏移时间的能力，并且只是在上电 初始化时配置一次。每个远程节点必须有在系统分配的时间从 接收数据的能力。多个信息发送到远程节点，远程节点应该依次接收。拓扑及通信确定性由于预先配置的网络拓扑结构，如 被强制为根节点，结合预先分配通道号、基于 的时间片分时调度等机制，协议成为一种网络拓扑结构和通信调度的确定性标准，确定性主要体现在拓扑确定性、收发通道确定性和带宽确定性。拓扑确定性网络拓扑的确定性，并非指网络只有一种拓扑结构，而是指根据应用需求，预定义好网络的拓扑结构。一旦确定，网络的拓扑结构将不再发生改变。在基于 总线标准的总线网络中支持多环结构，且支持自动环检测和断开。在总线复位后，总线网络会自动断开环路，最终形成树形结构工作。由于环的存在，从物理连接上，可提供一级冗余。基于 协议，总线上 节点被强制为根节点，其他远程节点不允许配置竞争权限，这样的系统设计保证了总线拓扑的确定性。另外，根节点实现对网络全方位的管理和控制。系统设计者在考虑网络拓扑结构时，应该根据各节点的具体功能和传输能力，确定控制计算机，同时确定远程节点之间的连接关系。通道确定性在 协议中，异步流包采用同步包，包的目的地址由帧头的通道号指示，且通道号是预先分配的，如表 所示，其中，数据包、数据及广播数据分别为，和，另外 节点一般分配给通道号。表 通道号分配定义 通道号节点标识（）通道号节点标识 测试仪器 广播通道 其中，数据包并不表示总线上的节点，列出来的目的仅是出于消息表示的需要。在实际工作中，每个通信节点只分配一个通道号，使得总线网络上的节点与通道号一一对应，保证了通信数据与通信节点的确定性。第 期 带宽确定性 协议基于总线通信的 调度、确定的总线拓扑和通道等确定性，在每个帧周期（例如），每个节点都按照固定分配好的发送偏移时间和发送消息个数、发送顺序来发送数据包，以达到分时复用总线的目的，保证了总线通信的确定性。基于时间触发的改进结合现有 协议的定义，在具体设计中还存在如下不足。）总线网络的通信节点基于在一个帧周期内只能采用一次发送偏移时间进行背靠背的发送所有数据，需要系统设计者综合考虑总线网络中所有通信节点的功能特性，统筹考虑时间片分配关系，这种设计在总线节点变化时提升了总线网络配置的复杂度；）当某个通信节点需要增加通信数据包条目时，需要考虑当前通信节点和全总线网络的时间片配置大小及通信带宽；）通信节点 的接收偏移在设计实现中工程意义不大，无法对故障通信节点（如基于 包的时间同步错误、发送调度故障等现象）进行故障隔离；）光纤 总线应用及总线速率的提升（如 ，等），使得基于时间片的调度颗粒度较大，无法实现对通信带宽的充分利用。结合时间触发特点，对 协议进行时间触发特性改进，提升总线传输效率，并提高总线设计灵活性。通过对发送和接收的调度控制，进一步提升航空安全关键系统应用的鲁棒性、确定性和可靠性。发送调度改进结合时间触发特性，将发送偏移与通信节点一一对应的关系，改进为对应通信数据包的一一对应关系，且不同通信节点之间可以互相交叉分配调度时刻，取消了通信节点背靠背的发送调度方式。为了支持之前 协议定义的背靠背数据包发送方式，可以对需要连续发送的数据包，采用分配同一发送时刻或者相邻发送时刻的方式进行通信调度支持。其中，连续 个最小发送安全时间间隔，可根据具体的总线速率和系统安全设计进行配置。改进后的发送调度示意图见图。如图 所示，基于时间触发的发送调度，在一个帧周期内，数据包按照发送时刻进行控制调度，在实际系统应用中，可根据通信节点及数据内容的需求不同，按照时刻编排调度表，大大提高了设计灵活度。对应不同通信节点的发送控制，为避免总线授权的竞争导致的通信不确定性，实行相邻通信节点至少满足最小发送安全时间间隔。图 发送调度改进示意图 接收调度改进在 协议中，通信节点的接收偏移与通信节点为一一对应的关系，无法对总线网络中错误节点胡乱发送的数据包进行过滤，因此改进接收偏移为接收时刻，且与该节点接收数据包为一一对应关系。在接收时刻的配置下，对该节点的接收数据包进行时间接收窗口判定，对总线上非同步的通信节点（或发送调度故障节点）进行故障隔离。其中接收窗口的大小由接收时刻和接收窗口 阈值组成，其中，时间值由总线速率及系统安全设计综合考虑设置。改进后的接收调度示意图见图。图 接收调度改进示意图 如图 所示，总线网络中某通信节点 配置某一接收数据包的接收时刻为，接收窗口时间阈值为，那么其接收判定窗口大小为，据此对总线网络中的故障节点在错误时刻发送的数据包进行判定隔离，大大提升总线网络的鲁棒性和可靠性。事件消息的调度改进对于总线网络中的事件消息，为了降低设计的复杂度，同样采用时间触发的思路进行设计实现，但不同于周期性的发送控制，在调度时采用事件 周期指示位分别进行独立控制。在事件消息需要发送时，在发送时刻到来时进行发送调度，反之，本次帧周期不发送调度。设计实现结合对 协议的时间触发改进设计，并考虑到 总线的 和 等两种通信角色功能，对 进行集成设计。第 卷电 光 与 控 制何向栋等：基于 协议分析及改进设计实现 架构一种集成 等功能角色的设计架构见图。图 设计架构框图 架构中各个功能模块设计功能如下所述。）接口，主要实现基于总线的 接口，具体可参见 ，此处不再赘述。其主要读写范围有：协议内部寄存器组、数据包控制模块（数据包字段读写）、收发控制电路模块（配置信息及内部数据读写）等内容。）数据包控制模块，因 协议角色不同而有所不同。当作为 时，其主要作用为组织 数据包内容，在帧周期起始时刻，发起 数据包请求，并提供具体 数据包内容；当作为 时，其主要作用为接收总线上的 数据包内容，校正本地同步时钟，同时提交 数据包数据内容。）时钟同步模块，因 协议角色不同而有所不同。当作为 时，其主要作用是按照自己的本地时钟，发起 包源时钟，以提供给总线上其他 同步信息，同时作为本地收发消息的时钟基准；当作为 时，其主要作用是接收总线上的 数据包，校正本地同步时钟，同时作为本地收发消息的时钟基准。）收发控制电路模块，主要作用是数据包的存储管理、组织、解析、发送控制、接收控制、状态上报等。收发控制电路，支持，甚至 等通信速率，结合 标准、协议标准及系统通信等要求，此处支持至少 字节的数据包大小。收发控制功能中组织数据包和解析数据包格式符合 标准。）控制状态机模块，主要作用是实现基于 标准的调度控制，主要包括链路层芯片控制、状态统计、发送与接收调度等功能。）寄存器组模块，主要作用是 收发控制状态寄存器、计数寄存器、链路层访问控制寄存器、总线状态寄存器、端口属性寄存器等。）网表模块，主要作用是实现了 总线节点的链路层功能，主要负责在事务层和物理层之间传递数据。核网表还提供了标准的 类型的 接口，用于连接 层芯片，且根据数据类型的不同，分别向上层提供了 接口和微控制器接口，详情可参阅 芯片手册。配置表收发控制电路模块依据配置表进行收发控制，配置表主要作用是在节点初始化阶段，分别将每条配置信息写入对应的收发控制电路中，配置信息至少应包括表 所示内容。表 配置表格式定义 序号名称位宽 含义本配置使能信号本条收发配置是否有效发送 接收选择信号本条收发配置是发送还是接收通道号发送 接收通道号消息 消息 编号分支 总线分支 号位置编号 产品位置编号消息长度消息长度指示通信偏移发送偏移或接收偏移接收窗口大小本配置为接收时的接收窗口大小周期 事件消息类别周期或事件消息指示 为了确保通信配置的确定性，发送或接收偏移不准许在通信过程中更改配置，只能由系统设计人员静态配置。根据系统对节点收发的功能需求，可支持（）条收发消息的配置，并且每条消息的读写数据包内容为确定地址。发送 接收控制发送与接收控制主要集中在 控制状态机模块中，对 节点控制状态机的控制流程做进一步的描述，具体操作步骤如下：）判定收发功能配置是发送还是接收，若为发送功能，进入步骤），若为接收功能，进入步骤）；）判定发送时间是否使能，若是，进入步骤），否则等待；）发送请求使能，等待 控制状态机给出授权，若发送授权，进入步骤），否则等待；）读取，并根据分支、通道号、发送偏移、接收偏移、消息长度等信息，组成数据包，数据包格式满足 标准中异步流包格式标准；）依据消息长度，发送有效数据包，直至结束，进 第