一、基本情况

二、研究方向

工业总线是现代工业化生产和电子系统必须的技术，主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，遍及生产生活的每一个角落，对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响。大容量、高速、可靠的数据通信需求与有限的总线数据传输量和低下的传输速率之间的矛盾成为制约现代工业系统在恶劣环境下系统可靠性的关键问题。世界上现有40余种现场总线技术，全部由国外机构主导研发，特别在军用领域我国长期受到技术、经济等诸多方面的制约。国内新型工业总线研发力量分散，薄弱，专门研发机构尚为空白。

本中心研究团队二十余年来面向深空探测、载人航天以及近地空间飞行器等国家重大工程和国防重点武器型号的发展需要，针对弹箭系统在恶劣航电环境中信息交换频繁且数据容量大、可靠性和传输速度要求高的特点，重点开展新型工业仪器总线，数据压缩编码，系统级测试设备研发。2012年，中心研发的分布式地面测试仪器总线，已经在航天一院30多种型号的地面设备上得到全面推广应用。目前，研究团队针已形成了三个稳定的特色研究方向：（1）新型网络化仪器总线技术（2）数据压缩及系统级测试设备研发（3）新型特种传感技术及器件。

未来两年，团队在之前基础上,为了进一步提高团队的研究能力、尽早跨入行业领先创新团队，团队针对下一代数据记录器的分布式、标准化需求，拟开展沙克总线专用集成电路、接口模块、专用仪器总线、特种传感、航天测试仪器的研发工作，为我国国防建设，山西省工业制造和技术创新提供有力支持。争取两年内完成一批行业内领先，满足国防和地方经济发展迫切需要的仪器设备研发，进一步扩大团队在行业内的影响力。

三、工业总线行业概况及发展趋势

下面以工业总线在航空航天领域的发展情况为例进行介绍。我国运载火箭重型化、通用化与战术导弹向大空域、智能化、多制式导航方向发展的过程中，大容量、高速、可靠的数据通信需求与有限的总线数据传输量和低下的传输速率之间的矛盾已成为制约弹箭系统在恶劣航电环境下系统可靠性的关键问题。在导弹图像导航模式几十Mb/s的传输带宽需求下，弹箭系统广泛使用的MIL-STD-1553B/1773总线1Mb/s的总线传输带宽已无法满足其发展的需求；同时，目前总线系统负载率已超过50%，达到负载上限，难以承载弹箭系统不断增多的设备挂载需求。尽管国内外目前已有1553B等40余种现场总线技术，但由于技术开发较早，已难以适应弹箭系统技术升级带来的网络容量增大，弹箭系统在智能化、通用化和模块化发展过程中高带宽、容错性和环境适应性需求。到目前为止，各种各样的现场总线达40种之多，其中在航空航天、国防工业应用的主要有：422、CAN、MIL-STD-1553B/1773、AS1773、Profibus、LonWorks、RS232等。

CAN是控制器局域网的简称，它是德国RobertBosh公司开发的。它的传输时间短,受干扰概率低,当节点有严重错误时具有自动关闭的功能,所以具有较强的抗干扰能力。但由于其传送数据带宽较窄,传输速度最高只能达到1M字节，并且挂接节点数有限，故不适用于复杂的过程控制领域。CAN现用于五大行业,即汽车、机器人、液压系统及分散型IPO，另外在电梯、医疗器械、工具机床及楼宇自动化等行业也有应用。AB 公司的Device Net及Honeywell的Micro Switch公司SDS(Smart Distributed System)都采用了CAN的技术。在航天领域，清华一号、NS-1等微小卫星中大量的应用了CAN总线技术。

MIL-STD-1553B总线是在20世纪70年代末，由美国国防部联合陆海空三军委员会提出的飞机内部电子系统联网的标准，由于它的高可靠性和灵活性，使其在航空工业中得到了广泛的应用。MIL-STD-1773是1553B的光纤版，颁发于1987年。1773总线在通信协议、吞吐量、总线终端定义、总线长度等方面与1553B总线标准定义完全相同，重要的区别就是采用光纤作为传输介质，用光收/发器替换电总线中的电收/发器。进入20世纪80年代以来,西方先进国家在飞行器、舰船、战车等几乎所有的军用运动平台的电气系统中均采用了以1553B总线为手段的综合设计技术。MIL-STD-1553B已被北约和一些其他国家采用，广泛应用于飞机、卫星，甚至国际空间站等航空航天领域。Actel公司于2003年开发出了一种空间、航空电子和军事应用的MIL-STD-1553B远距离终端核心，该智能IP核可以和FPGA器件一起使用。国内卫星、飞船也普遍采用该总线作为数据传输及共享的通道。我国已经成功地将它运用于歼八、枭龙战斗机和神舟飞船。因为MIL-STD-1553B军用数据总线推出较早，与现今一些商业局域网相比，在总线速率等方面并不占优势，但在传输可靠性方面其优势仍然明显，极适于现场环境恶劣且对可靠性要求高的领域，是目前航空航天电子设备中常见的现场数据总线，并有向其他工业领域渗透之势。但是由于这些总线协议都是国外开发的，加之应用比较复杂，成本昂贵，这些总线在国内并没有真正推广开来。目前国内也已推出了1553B 总线协议接口芯片，但由于其专用的局限性，使之不能被广泛的应用。因此，国内1553B产品的市场被DDC、Condor、SBS、Excalibur System 等国外公司抢去了将近80%。国内开展1553B 研究的单位较多，几乎都采用国外1553B 总线协议接口芯片的方式。由于国外1553B 总线协议接口芯片价格昂贵（1个带冗余的1553B 接口通道价格接近2万人民币）、使用复杂，很难把其功能全部实现。随着武器设备的不断复杂化，需要传输的数据量不断的增加，其传输速度越来越不能满足目前的需求。

AS1773为MIL-STD-1773标准的改进版，1995年由SAE颁布。该标准允许数据以20Mbps和1Mbps两种速率进行传输。当AS1773总线工作于20Mbps的速率时，每个命令字（Command Word）和状态字（Status Word）前面都加了一个16Bit全"1"的前导码（Preamble）用于突发同步。AS1773保持了向下的兼容性，适用于新旧终端共存的应用环境。AS1773总线包括总线控制器(BC)，远程终端(RT)，总线监视器（BM），光纤总线网络（多模光纤、发光管、光检测器、多端光纤耦合器组成）。总线控制器、远程终端和总线监视器是1773总线上的三种基本的通信终端，它们通过光纤总线网络互连在一起，即通过光纤总线，总线控制器发出的命令或数据可送达总线上的所有远程终端，而每一个远程终端发出的状态响应和数据也可送达总线控制器以及总线上的所有其他远程终端。光纤是1773总线系统的传输媒质。AS1773协议属于一种集中控制型的协议，所有的通信由总线控制器所控制。目前，国内外基于AS1773的军事应用均处于研究阶段，在公开报道中还没有检索到具体应用的例子。并且传输媒质光纤成本比较昂贵。

PROFIBUS是原德国国家标准，现为欧洲标准之一。它的产品品种齐全,现有1500种产品，有充分的选择余地。它的早期开发是针对加工工艺生产过程的，所以特别适合应用PLC的场合，国外航天器上应用较广，但是在国内应用比较少。

LonWorks（局部操作网络）是美国Echelon公司开发推出的集控制器和网络通讯处理器为一体的Neuron神经元芯片的串行对等总线网。它采用了ISOPOSI模拟的全部7层通讯协议，并采用了直接面对对象设计方法，是一个强劲有力的现场总线,被誉为通用控制网络。美国联邦航空管理局(FAA)于在2001年6月在ATR-42和ATR-72飞机上安装了CBL公司分布式飞行数据采集记录装置，这是由FAA批准的在航空飞行数据采集记录系统中首次使用EIA/ANSI709.1 LonWorks协议和标准神经元芯片；美国Longley空军基地也己经把LonWorks网络标准作为空军作战命令自动应用系统的标准之一；Toshiba以LonWorks技术开发的箱体中自动放射检测装置，己经被成功应用在美川空军基地的燃油箱的视窗检测系统中；LonWorks技术己经成功应用于T45Goshawk战斗机和美国近期生产的美国空军第四代战斗机F-22上；海湾战争中的美军阿帕奇武装攻击直升机、海军军舰中的USSMOUNI, AIN RUSHMORE均安装了基于LonWorks技术开发的产品。此外，LonWorks技术还在国外的飞机管理系统、飞行姿态控制系统、飞机导航系统中等得到了广泛应用,但是在国内的应用相对其他总线比较少。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种低速通信协议，因此大多数应用于数据交换较少、时效性要求不高的场合。由于RS232/422应用领域相当广泛，国内外现在主要研究其同其他总线结构的转换接口，以满足对其可靠兼容。

对上述总线系统独立应用方面，国内外均开展了大量的研究，相应的应用领域、应用技术等也为数众多。从前述分析看出，目前在国内军事应用上，主要的总线结构有：CAN、MIL-STD-1553B/1773、AS1773、RS232/422等。经过分析研究，当前军用总线存在以下一些问题，已经不能满足日益发展的要求：

1)1553B、CAN、422等总线都存在带宽过低的问题，波特率为10Mbps以下。

2)CAN、422总线不存在冗余备份，一旦线路发生问题，通讯即告失败。

3) 422、LVDS总线无时序约束，更无协议，使用起来最方便，但总线自身无纠错、重发等可靠性保障机制，必需依赖于系统保障。

4)1553B总线为双备份，一条总线发生问题，控制器会自动切换到另一条通道。但该方案中，如果不出问题，备用通道始终处于闲置状态，不能得到充分利用；而且即使是双备份，两条总线都可出现故障的几率仍然较高，这时通讯仍然会失败。

5)总线节点容量少。1553B只能挂接32个节点，CAN只能挂接110个节点。对于现在大型火箭设备而言，不可能把所有设备挂在一条总线上，而只能采用总线和支线并用。

6）AS1773传输媒介为光纤，光转换接口复杂，体积较大，光纤成本比较昂贵，不允许大角度弯折，使用环境要求较高，可靠性相应降低。

综上所述，在航天技术迅猛发展的背景下，新型总线技术亟待研究并取得实质性成果，为弹箭系统总线技术提供新的技术与方法途径。

四、主要研究成果

中心拓展了动态测试技术在航空航天领域中的应用，开展新型网络化仪器总线技术研究，提出一种高速自适应多路串行冗余总线（发明专利：《自适应多路串行冗余高速总线》，专利号：2010101291519），建立了基于LVDS的高速串行冗余总线自定义协议标准，突破了多模块的自适应配置、即插即用等关键技术。基于上述成果，中心研发的分布式地面测试仪器总线，针对测试台环境进行了改进，使得测试台完全实现了模块化和标准化，极大地缩短了新产品的研发周期。从12年研制成功以来，已经在航天一院30多种型号的地面设备上得到全面推广应用，如图1所示。

图1 中心研制的分布式仪器总线标准化测试平台

我中心为航天一院研制的某型号总线适配器及测试台,如图2所示，功能是完成飞行控制器与某执行机构间从1553B总线到422总线的适配。已经圆满完成飞行任务。

图2中心研制的总线适配器测试台

作为中心的特色产品遥测系统用外系统等效器，解决了遥测系统出厂前无法与其它系统进行接口匹配的问题，其核心采用了我中心研制的分布式仪器总线，经过十多年的改进，其重要性和有效性已经得到多个型号的认可，在 CZ-2C、CZ-5、CZ-7等多种武器、运载型号上得到广泛应用,如图3所示。

图3 中心研制的外系统等效器产品系列

 中心负责人刘文怡教授提出的UH-CR曲线算法解决了压缩算法临界压缩性能的通用评估问题（相关理论获得2009年度山西省优秀博士论文，出版专著一部，如图4所示），对工业领域无损压缩技术应用的可靠性保证具有重要意义。

图4 中心主任刘文怡教授出版的专著及山西省优秀博士论文

基于该算法研制的数据压缩单元已被应用于新一代航天器遥测系统，解决了遥测噪声数据传输带宽要求太大的问题，如图5所示。首次在航天弹箭遥测系统用于CZ-5、CZ-7等新一代中型、大型运载火箭的测量系统。

图5 中心研制的数据无损压缩单元

此外，本中心已经为CZ-11、CZ-2C、CZ-5、CZ-7、CZ-3B等型号大量配套了多个类别的系列化特种传感器产品，如图6所示。

 图6 中心研制的特种传感器产品

目前，中心研制的新型分布式仪器总线已经成功应用在航天领域十多种型号的地面测试装置中，取得了极大的成功。此外，更加先进的现场总线设计方面，本中心正在跟踪世界前沿，并且在总装预研基金的支持下，与总装相关部门正在酝酿新一代仪器总线的研发，如图7所示。

图7 中心下一代产品沙克总线

目前我团队正在研发的新一代自动可重构网络总线、专用网络化仪器总线、VPX总线产品研发都是为了满足未来数十年内工业测试的发展需求而进行的。此类技术是工业测试领域所急需的，因而只要研发成功，可以直接转化为产品得到应用。这也是对企业需求为牵引的产学研合作的最好诠释。

中心在航空航天测试领域多年积累的技术和经验，为本团队日后研发民用市场产品，完成技术成果向工业应用领域转化，实现军民融合打下了坚实的基础。目前在国家大力倡导军民融合的背景下，正是将中心现有的产品和技术推向工业，民用市场的最佳契机，可以为山西省高新技术加工，工业制造，新能源汽车等领域提供坚强的技术支持。成立山西省新型工业总线工程技术研究中心，将极大地提升本中心的科研实力和影响力。一方面有望打破国外垄断，满足庞大的国内市场需求；另一方面，对山西省经济转型发展将起到积极有效的推动作用，对本学科及行业发展起到巨大的提升作用。归结起来，主要体现在以下四个方面：1、扩大学科行业影响，推广应用现有产品；2、汇聚四方科研力量，实现关键技术突破；3、确立特色研发方向，形成行业引领能力；4、助力国家航天事业，打造山西创新品牌。