1553B总线的一种替代技术―EtherCAT实时以太网

摘要:1553B总线的数据传输带宽存在瓶颈,已无法满足大数据传输的应用。以EtherCAT技术为代表的实时以太网结合了以太网技术和精确的时钟同步机制,能够提供足够数据传输带宽的同时,解决了传统以太网通信的不确定性,满足了现代特殊应用的新需求。

关键词:1553B总线;实时以太网;EtherCAT

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)16-4403-03

A Substitutive Technique of 1553B Bus―EtherCAT Real-time Ethernet

SU Hao

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222006, China)

Abstract: The bottleneck of 1553B bus in the data transfer bandwidth exists, and it can not meet the demand of lots of data transfer.The real-time Ethernet of which EtherCAT is representative combines Ethernet technique and precision time entity.It provides sufficient date transfer bandwidth,resolves the non-schedule of communication of traditional Ethernet,and satisfies the new demands of special applications.

Key words: 1553B bus; real-time ethernet; EtherCAT

1553B总线的全称为MIL-STD-1553B,对应的中文为飞机内部时分制指令响应式多路传输数据总线[1]。其作为一种高可靠的总线技术在地面系统、航空系统、舰艇系统上都有了较广泛的应用。然而现代应用越来越大的数据传输量需求,使得1553B总线的带宽已无法满足新应用需求。以太网技术成熟、软硬件资源丰富、数据带宽大以及性价比高等许多优势被广泛地应用于多种场合,但其采用的带冲突检测的载波侦听多路访问控制技术使得实时性较差。现代特殊环境的应用必须采用结合了实时性和高速数据传输特点的总线技术。

1 1553B总线

在60年代和70年代初,数字计算机已应用到航空设备系统中,然而航空电子设备之间的通信仍然十分复杂和凌乱,且需要不同的硬件接口来应付不同的航空设备,为了简化这一状况,就提出了数据总线,即在不同的时刻和不同的航空电子设备之间能相互通信。1973年8月美国军方和政府公布了MIL-STD-1553(USAF)标准,军方首次在F-16战斗机中采用此标准,之后又对标准进行了修改完善。1978年公布了MIL-STD-1553B标准并"冻结"该标准,该标准一直引用到现在。

1553B采用半双工信息传输方式,传输协议为命令/响应方式,故障容错有典型的双冗余方式,第二条总线处于热备份状态;终端类型有总线控制器(BC)、远置终端(RT)和总线监控器(BM);1553B总线采用屏蔽双绞线进行信号传输,总线干线和节点支线采用直接或变压器方式进行信号耦合,可以驱动31个节点设备。信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和命令控制方式。1553B总线通信系统组成如图1所示。

1553B总线是一种集中式的时分串行、具有可确定性的、传输可靠的数据总线,具有分布处理、集中控制和实时响应的特性。该总线具有如下特点:

1) 合理的拓扑结构使得1553B成为航空系统或地面车辆系统中分布式设备的理想连接方式。与点对点连接相比,它减少了所需电缆、所需空间、和系统的重量。便于维护,易于增加或删除节点,提高了设计灵活性。

2) 1553B总线协议规定每数据帧最大为32个字,信息传输速率可以达到1Mb/s。尽管数据传输速率一般,但技术规范对每帧传输的最大和最小数据块长度都有严格限制,使得该总线具有良好的实时性,这也是1553B总线能够广泛应用于特殊需求重要的原因。

3) 为了减少由于数据传输而产生的误码,1553B采用这样的差错控制措施:总线控制器BC向某一终端RT发送一个消息,如果消息发送正确,终端则在给定的响应时间内会回复一个状态字,如果传输的消息有错,终端则不会回复,由此可以判断上次消息传输无效。

4) 采用双冗余系统,可以在两个通道间自动切换来获得冗余容错能力,提高系统可靠性。

5) 采用了电器屏蔽和总线耦合方式,每个节点都能够安全地与网络隔离,减少了潜在的损坏计算设备的风险。1553B器件的制造工艺满足了军标的要求,使得该器件得以广泛地应用在苛刻环境的中。

以上优点是1553B总线得以广泛使用的原因,但其1 Mbit/sec的传输速率也成为了它的限制因素。现代军事平台上传递的信息从种类上和数量上都在急剧增加,数字信号处理、目标跟踪和目标识别都是现代系统中的典型应用。这些应用导致了在飞机、车辆系统和舰艇上的数据流量的激增。1553B总线已无法满足现代航空、地面车辆和舰艇系统等特殊应用环境对数据、音频、视频信息交换的需求。实时以太网技术在普通以太网高速数据传输速率的基础上采取了相应的方案解决了普通以太网数据传输的确定性和实时性问题,突破了1553B的技术瓶颈,能够满足现代应用环境的新需求。

2 实时以太网

众所周知,目前局域网中应用最广泛的是以太网(ethernet)。由于其采用CSMA/CD的介质访问控制机制,而使得通信存在不确定性。技术工作者为此进行了诸多改进,如采用了交换式以太网技术、全双工通信、流量控制及虚拟局域网等技术[2],将以太网的实时响应时间提高至5ms-10ms,但对于响应时间小于5ms的需求,普通以太网技术已无法满足。为此,各种解决以太网的通信确定性和实时性的技术方案被提出。这些方案得思路为基于IEEE802.3标准,能够与标准以太网进行无缝连接,将其与相关标准进行实时扩展,提高以太网实时性。根据IEC/SC65C/WG11定义,所谓实时以太网RTE(Real-time Ethernet),是指不改变ISO/IEC8802-3的通信特征、相关网络组件或IEC1588的总体行为,但可以在一定程度上进行修改,使之满足通信的确定性、设备之间的时间同步行为以及充分、频繁的长度较短的数据交换。目前,实时以太网技术种类繁多,仅IEC 61784-2中就囊括了11个实时以太网的PAS文件。他们是HSE、Ethernet/IP、Profinet、EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus-RTPS 、SERCIS-III、P-NET、Interbus。他们在实时性机制、性能等方面存在一定差异。他们的通信模型大致可以分为以下几类,如图2所示。

其中:

“1”是通用以太网通信协议模型,采用了上述的提高网络速度、交换式以太网等措施,可以将系统实时响应时间控制在5ms-10ms;

“2”是采用在TCP/IP之上进行实时数据交换方案,如Modbus/TCP,Ethernet/Ip等技术;

“3”是经过优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型,如Profinet V2等;

“4”是采用集中调度提高实时性的解决方案,如EPA、PowerLink等;

“5”是在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能,如EtherCAT。与一些实时以太网技术采用通过顶层协议对软件调度策略对CSMA/CD机制进行改进不同的是,EtherCAT等技术采用特别的通信控制器ASIC,在通信参考模型的底层如数据链路层就有别于普通的以太网技术。特别的是,EtherCAT突破了传统其他以太网解决方案的系统限制,向机箱级的背板总线扩展。

3 EtherCAT技术

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是德国倍福公司推出的用于解决以太网实时性的最新技术。EtherCAT的特点是构建实时以太网时不仅不需改变现有以太网节点使用的通用的以太网卡、双绞线及光纤,更重要的是EtherCAT可以组成超高速的I/O网络。EtherCAT的通信模型如图3所示。

3.1 工作原理

普通以太网由于采用CSMA/CD机制,其通信效率较低,EtherCAT借鉴了通信效率较高的Interbus现场总线的集总帧等时原理,摒弃了诸如采用类似于时间片轮转的方法控制CSMA/CD不确定性通信过程、使用专用交换机并采用精确的时间控制方式控制以太网数据传输的以太网实时性解决方案所采用的方法。上述方法只能在某种程度上实现控制器数据快速而准确传输至以太网节点,但仍无法消除以太网节点到实际I/O的传输延迟。EtherCAT保持现有的以太网节点保持不变,板级超高速I/O网络端子使用FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)控制信号传输。I/O网络端子的每个通信节点不需要对每个接收的以太网数据包进行解码并复制为过程数据,在数据流的传输过程中,每个I/O端子中的FMMU就可以读出传输至此I/O 的数据。同样,输入数据可以在数据流通过时插入其中,整个过程仅有几纳秒延迟。用于I/O端子部分的以太网称为E-bus,I/O端子部分第一个以太网节点将传输于标准双绞线、光缆的信号变换至符合E-bus技术要求的电信号,使用不同的电信号区别不同的I/O端子。

3.2 系统布线

EtherCAT支持多种网络拓扑结构和多种传输电缆,这使得系统的布线具有一定的灵活性,然而支持双绞线布线可以大大降低构建系统的成本。双绞线可以传输普通以太网信号或者E-bus信号,只是传输E-bus信号距离较短,节点间距要小于10米(传统以太网物理特性可以使节点间距达到100米)。系统最多可以容纳65535个网络节点,这样的节点数量足够满足实际应用的需求。上述特点使得EtherCAT构建网络几乎不受限制。

3.3 性能

EtherCAT将底层通信协议嵌入硬件中实现,它大大减少了操作系统、CPU资源的占用,使得应用软件在现有软硬平台下发挥最大性能。EtherCAT采用了基于IP组播通信的IEEE1588时间同步机制,其采用的“主时钟”、“从时钟”能够提供信号误差在1μs内的精确时钟基准。EtherCAT技术信号处理速率非常高,在30μs内能够完成1000个I/O节点刷新,一个以太网帧每次最多可以完成1468个字节的数据传输,而完成这样数据量的传输仅需300μs。数据传输的实时性与巨大的带宽资源实现了很好的结合,突破了以往实时性网络带宽资源的瓶颈。此外,EtherCAT技术具有良好的扩展性能,能够将数据传输速率扩展至1Gb/s,为EtherCAT技术的发展预留了很大空间[3]。

4 结束语

需求推动着技术不断进步发展。若干年前,1553B总线因为需求而被广泛采用,现在又因新的需求,1553B总线终将被EtherCAT实时以太网这样的先进技术所替代。可以预见,EtherCAT将会成为一种重要的可扩展的、可用于航空、地面车辆和舰船系统的新一代的高速、低延迟局域网络总线技术。

参考文献:

[1] GJB289A297,中华人名共和国国家军用标准[S],1998.

[2] 阳宪惠.现场总线技术及应用[M].2版.北京:清华大学出版社,2008.

[3] EtherCAT Technology Group.EtherCAT Technical Introdution and Oveview[M],2004.12.