ARINC 818解決棘手的傳感器融合問(wèn)題

傳感器融合系統(tǒng)在監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤和導(dǎo)彈防御等軍事應(yīng)用中繼續(xù)激增，但它們也帶來(lái)了傳感器同步、布線重量、距離限制和 EMI 等系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)。作者討論了如何將ARINC 818（航空電子數(shù)字視頻總線）用作靈活的傳感器接口來(lái)解決這些系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。此外，還描述了一種雙向ARINC 818系統(tǒng)架構(gòu)方案，用于將多個(gè)傳感器時(shí)間復(fù)用到單根光纖上，并實(shí)現(xiàn)傳感器命令和控制的返回路徑。

隨著傳感器融合系統(tǒng)在增強(qiáng)視覺(jué)、監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤和導(dǎo)彈防御等應(yīng)用中的激增，從傳感器吊艙遠(yuǎn)程執(zhí)行處理時(shí)存在許多系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)，包括：傳感器同步、布線重量、距離限制和 EMI。ARINC 818協(xié)議已廣泛用于駕駛艙顯示器等航空航天視頻系統(tǒng)，可用作靈活的傳感器接口來(lái)解決這些系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。介紹了一種雙向ARINC 818系統(tǒng)架構(gòu)，包括將多個(gè)傳感器時(shí)間復(fù)用到單根光纖上并實(shí)現(xiàn)傳感器命令和控制的返回路徑的方案。

ARINC 818協(xié)議概述

ARINC 818相對(duì)較新，許多工程師還不熟悉該協(xié)議。在描述如何在傳感器融合系統(tǒng)中使用 ARINC 818 之前，對(duì)該協(xié)議的概述將有助于討論。

該標(biāo)準(zhǔn)名為航空電子數(shù)字視頻總線（ADVB），基于光纖通道音頻視頻（FC-AV）標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)光纖通道的改編，增加了視頻傳輸功能。但是，F(xiàn)C-AV標(biāo)準(zhǔn)旨在支持非常廣泛的行業(yè)和應(yīng)用，而ADVB則專(zhuān)注于航空電子視頻的關(guān)鍵需求。ADVB 從 FC-AV 簡(jiǎn)化而來(lái)，無(wú)需鏈路初始化、流量控制或其他光纖通道交換（如端口登錄）。ADVB 被定義為單向鏈路，雖然經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，但 ADVB 保留了光纖通道的屬性，這些屬性有利于任務(wù)關(guān)鍵型視頻應(yīng)用，例如高速、高可靠性、低延遲和靈活性。

此外，ARINC 818 是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 8B/10B 編碼協(xié)議，用于視頻和數(shù)據(jù)的串行傳輸。該協(xié)議是分組的，以視頻為中心，并且非常靈活，支持一系列復(fù)雜的視頻實(shí)現(xiàn)，包括將多個(gè)視頻流多路復(fù)用到單個(gè)鏈路上。ARINC 818 和 FC-AV 定義了從 1 Gbps 到 8 Gbps 的鏈路速度，帶寬高達(dá) 800 MBps，可滿足最苛刻的傳感器融合應(yīng)用。

ADVB 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

圖 1 所示的 ADVB 框架是 ARINC 818 的基本傳輸機(jī)制。將這些數(shù)據(jù)包稱(chēng)為“ADVB 幀”而不是簡(jiǎn)單地稱(chēng)為“幀”非常重要，以消除與視頻幀的潛在混淆。

圖1：ADVB 幀是 ARINC 818 的基本傳輸機(jī)制。

ADVB 幀的開(kāi)始由幀開(kāi)始 （SOF） 4 字節(jié)有序集發(fā)出信號(hào)，并以幀結(jié)束 （EOF） 有序集終止。每個(gè) ADVB 幀都有一個(gè)由六個(gè) 32 位字組成的標(biāo)準(zhǔn)光纖通道標(biāo)頭。這些標(biāo)頭字與 ADVB 幀原點(diǎn)和預(yù)期目標(biāo)以及序列中的 ADVB 幀位置等內(nèi)容有關(guān)。ADVB 幀標(biāo)頭中的源 ID （SID） 字段允許將來(lái)自每個(gè)傳感器的視頻與其他傳感器區(qū)分開(kāi)來(lái)。

“有效負(fù)載”包含視頻、視頻參數(shù)或輔助數(shù)據(jù)。有效負(fù)載的大小可以有所不同，但限制為每個(gè) ADVB 幀 2，112 字節(jié)。為了確保數(shù)據(jù)完整性，所有ADVB幀都具有針對(duì)SOF和CRC字之間的數(shù)據(jù)計(jì)算的32位循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。CRC 與為光纖通道定義的 32 位多項(xiàng)式計(jì)算相同。

ADVB容器結(jié)構(gòu)

ARINC 818規(guī)范將“容器”定義為一組用于傳輸視頻的ADVB幀。換句話說(shuō)，視頻圖像和數(shù)據(jù)被封裝到跨越許多ADVB幀的“容器”中。每個(gè)ADVB幀的“有效載荷”包含數(shù)據(jù)或視頻。在容器中，ARINC 818 定義了包含某些類(lèi)型數(shù)據(jù)的“對(duì)象”。也就是說(shuō)，容器中的某些 ADVB 幀是對(duì)象的一部分。在容器中找到的四種類(lèi)型的對(duì)象如表 1 所示。

表 1：容器中的 ADVB 幀是對(duì)象的一部分，容器內(nèi)有四種類(lèi)型的對(duì)象。

在大多數(shù)情況下，單個(gè)容器精確映射到單個(gè)視頻幀。一個(gè)示例將闡明如何傳輸視頻：要傳輸 XGA 視頻幀（1，024 x 768，24 位顏色），ARINC 818 將總共使用 1，537 個(gè) ADVB 幀。第一個(gè) ADVB 幀的有效負(fù)載保存容器標(biāo)頭信息和輔助數(shù)據(jù);接下來(lái)是 1，536 個(gè) ADVB 幀，其中每個(gè) ADVB 幀的有效負(fù)載包含半行視頻。

ARINC 818 傳感器融合接口架構(gòu)

圖2顯示了與三個(gè)傳感器接口的架構(gòu)。傳感器接口模塊與傳感器位于同一位置，用于將來(lái)自三個(gè)傳感器的視頻多路復(fù)用到單個(gè)ADVB鏈路上。在此示例中，有兩個(gè)紅外傳感器，每個(gè)傳感器每像素 14 位，分辨率為 640 x 512，頻率為 60 Hz，還有一個(gè) 1，024 x 768 的 24 位彩色光學(xué)傳感器。這些傳感器總共需要 220 MBps 的吞吐量，并且可以多路復(fù)用到單個(gè) 3.1875 Gbps ARINC 818 鏈路上。

圖2：傳感器接口模塊與傳感器位于同一位置，用于將來(lái)自三個(gè)傳感器的視頻多路復(fù)用到單個(gè)ADVB鏈路上。

該架構(gòu)包括來(lái)自接收器的 ARINC 818 命令和控制路徑。在示例中，命令和控制路徑顯示為ARINC 818，但如果不需要像ARINC 818這樣的高速總線，則可以使用RS-422或類(lèi)似的數(shù)據(jù)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此示例中，ARINC 818 （3.187 Gbps） 比 RS-422 （10 Mbps） 快 300 倍以上。

傳感器還可以具有 ARINC 818 接口?？梢允褂?COTS 轉(zhuǎn)換器板（例如，RS-170 至 ARINC 818）或在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的 ARINC 818 IP 核將 ARINC 818 接口設(shè)計(jì)到傳感器中。

將視頻定時(shí)多路復(fù)用到單個(gè)鏈路上

ARINC 818 基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建，其中數(shù)據(jù)包標(biāo)頭 ID 允許將多個(gè)傳感器多路復(fù)用到單個(gè)光纖上。在單根光纖上多路復(fù)用可減少電纜和連接器的數(shù)量，從而減輕重量。ADVB 標(biāo)頭中的源 ID 字段用于區(qū)分來(lái)自不同傳感器的視頻或數(shù)據(jù)。在我們的示例中，SID=1 是 LW 紅外傳感器，SID=2 是 SW IR 傳感器，SID=3 是光學(xué)傳感器。圖3顯示了ADVB幀中的分組視頻線如何在鏈路上交錯(cuò)。

圖3：ADVB 幀中的分組視頻線在鏈路上交錯(cuò)。

命令和控制界面

ARINC 818的主要重點(diǎn)是駕駛艙視頻連接，該標(biāo)準(zhǔn)僅定義了單向鏈路。但是，可以在相反的方向上添加第二個(gè)鏈接以進(jìn)行命令和控制。作為命令和控制鏈路，對(duì)象 0 中的輔助數(shù)據(jù)字段用于小數(shù)據(jù)包（如同步脈沖），而對(duì)象 2 或 3 用于發(fā)送“圖像大小”數(shù)據(jù)，例如壞像素替換圖或非均勻性校正 （NUC） 增益和偏移值。命令和控制鏈路的更新速率可能比視頻鏈路快或慢。

通過(guò)命令和控制鏈路發(fā)送的典型參數(shù)可能包括：積分時(shí)間、同步信號(hào)、NUC、傳感器模式（待機(jī)、BIT或正常）、測(cè)試碼型、壞像素替換、讀取溫度、像素增益/偏移數(shù)據(jù)以及校準(zhǔn)和測(cè)試碼型數(shù)據(jù)。這些參數(shù)是 ADVB 幀的有效負(fù)載，根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型插入到命令和控制鏈路上的對(duì)象 0、2 或 3 中。

ARINC 818：解決系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題

現(xiàn)在，我們將研究ARINC 818緩解的四個(gè)系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)：視頻同步以及重量、距離和EMI。

視頻同步

由于傳感器吊艙遠(yuǎn)離融合引擎，復(fù)雜圖像融合處理的第一步需要圖像的時(shí)間同步。目前的方法涉及緩沖來(lái)自每個(gè)傳感器的多個(gè)圖像幀，以便圖像處理算法可以將正確的時(shí)間偏移應(yīng)用于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。但是，緩沖多個(gè)視頻幀會(huì)產(chǎn)生大約 16 毫秒到 48 毫秒的延遲，這對(duì)于平視顯示器 （HUD） 起飛和著陸輔助等時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用的嚴(yán)格延遲預(yù)算來(lái)說(shuō)可能太多了。

相比之下，ARINC 818返回鏈路提供了一種同步鎖相傳感器的方法，因此接收的圖像數(shù)據(jù)在時(shí)間上將非常緊密地相關(guān)。例如，傳感器接口塊可以使用 OBJ 0 幀的到達(dá)作為傳感器的同步鎖相觸發(fā)器。這可以像在檢測(cè)到每個(gè) SOFi 時(shí)發(fā)送同步鎖相同步脈沖一樣簡(jiǎn)單。（SOFi 是序列中的第一個(gè) SOF。但更有可能的是，對(duì)于使用具有不同內(nèi)部延遲（微秒到毫秒）的異構(gòu)傳感器的增強(qiáng)視覺(jué)應(yīng)用，傳感器接口盒命令和控制將需要對(duì)傳感器觸發(fā)器應(yīng)用獨(dú)立的延遲。觸發(fā)延遲值可以包含在ARINC 818返回鏈路數(shù)據(jù)中，從而允許接收器直接控制輸入傳感器圖像之間的偏斜。觸發(fā)延遲可以在啟動(dòng)校準(zhǔn)期間設(shè)置，如果需要，可以實(shí)時(shí)更改。這種系統(tǒng)級(jí)方法可以使傳感器圖像在時(shí)間上非常緊密地相關(guān)，從而消除了接收器緩沖多個(gè)完整圖像的負(fù)擔(dān)。更重要的是，這種方法將延遲貢獻(xiàn)從全幀時(shí)間（10 毫秒）減少到行時(shí)間（100 微秒）。

重量、距離和電磁干擾

除了視頻同步，ARINC 818在重量、距離和EMI方面也有很多優(yōu)勢(shì)。首先，ARINC 818光纖實(shí)施顯著減輕了系統(tǒng)的重量。例如，如果傳感器吊艙距離圖像處理15米，并且使用典型的銅接口，則將有三組同軸電纜傳輸視頻信號(hào)，三組雙絞屏蔽電纜來(lái)傳輸RS-422等命令和控制信號(hào)。航空航天級(jí)同軸電纜的電纜重量為15 g/m，扭曲屏蔽為20 g/m。電纜總重量為 1，575 克。ARINC 818系統(tǒng)將包括一個(gè)重達(dá)380克的傳感器接口盒和一個(gè)重15克/米的雙光纖電纜，總重量為605克，重量減輕62%。（連接器不包括在計(jì)算中，因?yàn)榭梢允褂酶鞣N各樣的連接器。

由于ARINC 818使用單模（最遠(yuǎn)10公里）或多模（500米）光纖，因此距離通常不是問(wèn)題。與CameraLink上的10 M限制或IEEE 1394（Firewire）或DVI上的5 M限制相比，即使是銅纜上的ARINC 818也更勝一籌，在1 Gbps時(shí)的距離為25 M，在2 Gbps時(shí)的距離為15 M。大多數(shù)商業(yè)和軍事航空航天應(yīng)用在多模光纖上使用ARINC 818。光纖布線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗EMI，它消除了所有銅纜固有的屏蔽需求 使用光纖進(jìn)行ARINC 818等高頻傳輸消除了干擾其他電子設(shè)備的輻射發(fā)射和降低數(shù)據(jù)完整性的EMI敏感性問(wèn)題。

ARINC 818 有利于現(xiàn)代傳感器融合系統(tǒng)

在傳感器遠(yuǎn)離傳感器融合引擎的傳感器融合系統(tǒng)中，ARINC 818 在同步、帶寬、重量、距離和 EMI 抗擾度方面具有優(yōu)勢(shì)。接口轉(zhuǎn)換器和ARINC 818 IP 核等 COTS 組件有助于在要求苛刻的傳感器融合應(yīng)用中實(shí)施 ARINC 818。

審核編輯：郭婷