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1、 7 c ； ， ， l 模块化结构的基本原理和方法 崔学华 ( 六一五研究所 ) 2 摘要论述 了如何应 用组鲁化原理 和通用化 、 系列化方 法采开展 新一代航 空 电子 系统模 块化 结构 设计：重点阐述 了组合化的分解和组台过程在新一代航空电子 系统中的具体应用及由此带来的经济效 嚏电 统 臻 航空 电子系统 的发展经 历 了几个阶段。其结 构也 从分立式 、 馄 合式和联合式( 综 合化 式) ， 发展蓟 当今电 子模块化( 高综合化) 式。美国的电子模块 化( 以下简 称模块化) 结构是以美国“ 宝石柱 计划为基础的系统 结构。其基本含义是： 由一组超大规模集成电路构成， 以能完成
2、数据处理 功能和 自检能力 的各种标 准化 的通 用模块作 为基本 核心和基础 ， 加上一些 专用 电子模 块 按组合化的原理来 构成 各个航 空电子 系统。按此含义 所构成 的航空 电子 系统 称作 为新一 代航 空 电子 系统 ， 与当代航空电子系统相比较， 实施 了以下几方面的变 革。 ( 1 )由当代 1 5 5 3总线所完成的数据流集合水平式 综合 ， 跨越 到数 据流 和信号 流 两个层 次上 的垂 直式 综 合 ； ( 2 )由当代 的集 中式控 制 ， 分 布式处 理 发 展为 分 布式控制 和分布式 处理 ： ( 3 )由当代面向雷达、 惯导 、 火控、 通信等 分系统 任务
3、功能 的综合 ， 演变 为面向传 感任务 管理 、 飞行任务 管理和 飞行器 管理 的三个 功 能 区 的高 级 别 的综 合 系 统 。 新一代航空 电子 系统 的 模块 化结 构 ， 不仅 体 现 了 先进航空电子 系统 的最主 要性质 ， 而且 为武 器装 备在 系统级实施通用化 、 系列化和组合化打下良好基础。 即可彻底改变过去“ 三化 ” 只能局部地在 航空产 品的零 件、 部件和组 件上 实施 ， 而不 能 在 系统 级 上 实施 的状 况。 新一代航空电子系统中模块化结构的实施， 主要 依赖于正确选择具有功能特性的模块类型、 数量和组 合方案。故在新一代航空电子系统设计 中， 不
4、仅改变 了传统 的设 计方法 ， 简化 了系统 设计 的结构层次 ( 消除 了“ 黑盒 子” 设备级 ) ， 而且非 常有利 于采用通用模块 和 接 设计 好的专用模块 ， 进 行不同航 空电子 系缝 的组 合。 其组合原理主要依据于 三化” 中的组合化。 模块作为新一代航空电子系统结构中的基本单元 ( 或称为外 场可更换 单元 ) ， 通用化 、 系列 化设 计 已成 为 模块设计 中的主要问题。模块 的通用 化和 系列化要求 是新一 代航 空电子系统模块化结 构所 决定的。假如模 块不具有通 用化 和系列化 的特 征 ， 是很 难实 理 系统 组 合的 。 1 系统设计中的模块分解和组合
5、1 1 组 合化的基本概念 组合化是建 立在系 统分 解和组 合 理论 基础 上 。 即把一 个具 有某 种功 能的产 品 看作 是 一个 系统 ， 这 个 系统又是可分解的 把系统分解成若干个功能单元， 其中某些单元不仅具有特定的功能， 而且能与其他系 统 的某 些功能单 元可 以通用 、 互换。 于是把 这类 功 能 单元分解 出来 ， 以标准 单元或 通用 单元 的形 式独 立存 在 ， 这就是分解 。为满足一定 的功 能要求 ， 把若 干个事 先准备好 的标准化 的通用单元和个别 专用单元 按照新 系统 的要求有机 地组 合起 来 ， 组 成一 个具 有 耨功 能的 新系统 ， 这 就
6、是 组合 组合化 的过程包括分解和组 合。 新一代航空电子系统的设计就是利用了组合化的 原理 ， 改 变了传统设 计方法 ： 把 航空 电子 系统 看 成组 成 飞机系统的一个功 能复杂 的系统 。该 系统 由不 同功能 堡 望堕 ! 垦 竺 堂 兰 皇二 堡坌 墨 主二 塞塑 竺皇 3 航空标准化与质量 维普资讯 http:/ 性 ， 可从系统 中分解 出来 。把分解 出来 的部 分作 为 组 合 的积 木块 ( 模 块 ) ， 把 这些积 木块 上 升为标 准 的通 用 单元 ， 然后 以这些积木块为基 础堆积 出不同系统 产品 。 系统分解和组合 的示 意图如图 1 所示 。 口 凹 凹
7、口 台理分解单元 标准单元 ( a ) 分解 圃 控循要组合成不同甩逢的整体 ( b j 组台 图 1 组合 化的分解和组合 1 2白上而下 的分解 对所要研制的新一代航空电子系统， 应从结构上 进行白上而下的分解， 即按复杂程度将系统分解成模 块化的结构 。分解 的基本原 崩是 ： 在分 解时 应 充分 考 虑模块化、 通用化和综合化的三个关键特性 ， 并使这三 个特性在相互支持下又具 有独立性。 ( 1 )综合化 综合化是解决传统的航空电子系统按不同功能划 分成各个独立 的分 系统 ， 所 造成 的系统 与分 系统 中许 多功能重复， 体积、 重量增加， 驾驶员负担过重， 总可靠 性下降，
8、 全寿命成本增长等各种问题的有效办法。故 新一代航空电子系统必须具有综合化的特性 ， 以便在 系统中实现任务共享和获得系统的容错和灵活性。 ( 2 ) 模块化 新一代航空 电子系统把模块作为系统结构的基本 单元 ， 是 因为其功能能满足 各种系统 的需 要 ， 也可 以提 供重新配置( 组合) 能力。故模块化是新一代航空电子 系统在结构上 的 主要特 征 从而 也确定 了组 成 新一代 航空电子系统基本单元的是模块， 即以 L RM( 外场可 更换模块) 来代替 L R U( 外场可更换单元) 。 ( 3 )通用化 为便 于对新 一代航 空 电子 系统 的维护 和减少后 勤 保 障费用 模块应
9、具有通 用化的特性 ； 为实 现航 空电子 系统的模块化， 电必须减少模块的种类。另外， 提高模 块的通用化程度， 是降低系统开发和系统全寿命周期 费用的最重要因紊。对于功能复杂的模块来说 ， 在互 换的基础上实现通用， 其意义是非常大的。 按分解 的原则 ， 新 一代 航空 电子 系统结 构 通常 可 分解为 ： 数据 处理单元 、 信号处理单 元 、 存 储单元 、 输 入 雷出接 口单 元 、 电源单 元 ( 这些 单 元可 作 为标 准 的通 用模 块) 模 块 和母板 专用 单元 及 其他 专 用 单元 模 块。 分解的示意 图如 图 1 ( a ) 所示 。 1 3自下 而上 的组
10、合 按航空 电子系统 所分解 出的功 能单 元模 块 ， 确 定 能采用的标准化 的通用模块的类型和数量 并计划、 确 定将要开发 的专用模块单元 。然后进 行各 种方案 的组 合( 组合的示意图如图 1 ( b ) 所示 和试验验证， 最后确 定出一种能实现新研制的航空电子系统功能要求的方 案并研翻要 开发的专用模块单元 。 2 模块的通用化 与系列化 设计 2 1 模块 的通用化 2 1 1 模 块通用化范 围的确定 在 新一 代航 空 电子 系统 中 ， 通用模 块是 模 块化 结 构 的棱 心和基础 ， 也是实 施组 合 化 的基 本条 件 。根 据 通用化 的基本概 念 和当前航 空
11、 电子 系统 以数 据传输 、 数据处理为主要技术的情况， 模块通用化范围主要可 在 以下几 方面确定 ： ( 1 )用来完成与各项任务处理有关的数据处理工 作 的数据 处理功能部分 ， 如数据处理器模块等 。 ( 2 )用来存储应用程序、 执行程序及数据存储 的 功能部分 ， 如存 储器模块等。 ( 3 )用来完成总线之同和不同类型信号之问的接 口功能 部分 。如 AR I NC6 5 1 规 范中的 G a t e wa y模块是 用来连接 A RI N c 6 5 9母板总线 与AR I NC 6 2 9数据总 线的 ； “ 宝石柱” 计 羽航 空 电子 系统 结构 规 范中 的 A B
12、 I 总线接口模块是用来连接 P I 母板与高速总线的； AR I NC 6 5 1规范 中的 B u s d 模 块 是用 来 连接 同类总 线的。 ( 4 )用来将 飞机 电源转换 成模 块所需 要 电压 的 电 源功能部分 。 ( 5 )用于传感器的信号处理 的信号处理功能部 分 。 2 1 2 模块通 用功能能力 的选择 模块通 用功 能能力 的选 择 ， 应接 外 场可 更换 单元 为前提确定。系统中的零件瑰、 组件级( 模块级) 和设 备级均可作为外场可更换单元。但各类外场可更换单 元， 其所完成的功能能力太小各不相同， 复杂程度也不 相同。若采用以往做法， 模块通用功能能力接 L
13、 R U可 4 1 9 9 7 年 第 5期 维普资讯 http:/ 完成 的功能 能 米 选择 则 要完成 的功 能太 多 H并 不 Hl 同 外 费川 高故障 多， I乜不利 于 中继级 维修 ， 故 小血采用= 通用模块 功能能 力按零件 ( 兀器 件) 町完 成 的功 能能力来 选扦 不仪 模块 外场 叮更换 单元 的功 能 简 堆， 而且 系统 连接 增 多， 也锻 难将 故障隔 离到 Ir l = 器什绒 ， 故也 n从这 而选 择从完成功 能 、 维修 f 【 J 雠 低 支援 赀J I J 出发 ， 新一 代航 空电 子 系统模 址功 能 能力 ， 按模 块 所具 有 的 功能
14、 来 选扦 是台 理 和 可行 的。 即按新一 代航宅 电 系统 的特点 每 一种 模块 要 完成 个完整 的数 据处理 功能 度状 态测 试 、 故障 椅测 隔离 所 要的 I 州 能 力进行选 择 是完 全做 得到的。 2 1 3 模块通 媚参数 的划 分 模块参数基本上 可分为兼 容性 参数和功 能参数 两 类 。兼容性参数是和其他 系统 相关联所 必须 的电气接 口参数 ： 功能参数 是表 征模 块 主要 特征 的参数 。兼 容 性参数是 可以标准化 的， 在设 计上 需 要按标 准的 规定 进行严 格的控制； 功能 参数不 能标 准化 ， 只能接 实际 需 要进行 设计。 可实 施
15、标 准化 的 兼 容性 参 数有 以下 几 类 ： ( I )结构 类： 外形 尺 寸 、 外壳 类 型 、 连接 器 、 重 啭 、 插拔技术 等； ( 2 )电气 楚： 供 电特性 ， 故障指 示 、 总 线接 口、 I 州 要求 、 地线选 等 ： ( 3 )f 换 - 娄： 存储器存 i ， 存取时 I l ， 软 件等 ： ( 4 ) 环境 娄 ： 电磁 干扰 、 电子 瞬 志放 射 效应 、 静 电 放电 ， 温度 湿度 振 动等 ； ( 5 )内部 能娄 ： 数据 线 议 ， I 、 议 ， 数据 传 辅 牢 等； 【 n 热 l楚： 热 交换 、 热 分配 ， 传 导散热方式等
16、 2 【 4 迎川 ； l 块的 娄倒 按樽 块通川化赳f 嗣 H前 -叮采用 的通用模块 有 ： 姓 鼎模块 、 仔储 模地 、 接 【 i ( 数据接 口 ， 离 散 j 硅 输 出接 j ， 模 数转 换接】 I 等) 模块 、 电源模块等 体要求 在 M I S l i i 3 8 9 ( 标准 电子模块 设 计要求 中作 出 了 规定 此 外 ， 美 国国防 部颁 布的数 百 份军 用规 范所 规 定的各粪横蚨 ， 也是通 用模块 的一种特定形式 。 2 2 模块的 系列化 通 用模 块的系刊设 I 十 应遵循 系列化设 汁的基本 原 则 ， 采用同类 1 井 、 太小 分档 的方法
17、 来形成模 块 系列 ， 以便 于满足不同系统的要求 。 2 2 1 按标准机箱形成系列 美 按A RI N C 4 0 4 A q R机箱 或 I X) I ) S I 、 D l 7 8 8 航空电子堤备接 口设计标准 所规定的机箱外形 尺寸系列 作 为模 块外形R 寸系列 如 ： AR l ( 4 0 4中 l I 1 R( 埘 应 I X ) I ) 】 1 )一1 7 8 8中 的 1 2 1 U) ； a , _ r R( 6 1 R U) ； AT R( 3 L RL I ) ； 1 I R( 8 l U) ； I K ( 4 I R U) ： I _K( 2 L R U) 美国
18、 空 选择机 箱 系列 中 的 AI 1 R ( 6 1 R U) 系列作 为新 一代 航空 电子 基本模 块 ( 称为外场 r 更换模块 L R M) 外形 系列 民机模块 的外形 尺寸 系列 可 按 美国航 空 无线 电 公一 J 颁布的 A RI N C 6 5 0 集成模块化航空电子的封装 和接u规范 进行选择 2 2 2 按模块壳体形 式形 成系列 MI I 一S T D l 3 8 9 标准电子模块设计要求) 规定， 模 块壳体 分为： A、 H 、 C D E 5种 基率 形式 。在美 国空 笮所制定的 A q ( 6 L RU) 规 范 中 ， 将 模块 分 为 A、 I S
19、、 C、 i ) t 、 5种 系列。其 中C型的 L R M 对应 于美国海军 s E M E模块 。 3 模块的标准化设计 新一代航空电子系统中的模块是在软件管理下高 度集成化的航空电子模块 。在 软件方 面必须采 用规定 的高级语 采 用标 准的 内外 总线 ； 在 硬件方 面要求 具 有标准化的 参数 ， 外形 尺 t和结 扮。符 台上 述条 件 的 模块才能称得 七 航 电子 I R M。 3 1 模块 的外形 尺 - r 为简化起 模块宜 采 用统 一 的形状 和 R寸 其 形状 与l尺 寸的选栉 应符台 以 F 规定 ： ( 1 )要与 A l r R机 箱尺 寸( r R 、
20、A l r R、 1 F R) 抖 兼 容 以便通用 模块 也能 装人 符台标 准 尺 寸的机 箱 l ； ( 2 )模块 L 的安装 空阃应 与所 霎安装 的电路 的R 寸和 一 致 以保证所设 的电蹄能 全部安装到模块 中： ( 3 ) 模块 应按 大多数 功 能模 块 的尺寸 来 选样 ， 以 便实现功能模块 的 更换和通用 美 国空1 的实 践 表明 ： 在 要用 通 硐模 鳗 实现 系 统功能 中， 9 0 以上 功能 模块 非常 适 合于安 装在 与 A T R尺寸棚兼容的模块壳悻 上 ， 印 S E M E规 格尺 寸 是基本型模块的外 形尺寸 。 3 2 模块 兼容性 参数 接
21、本文 2 1 3条所 划 分 的模块 参数 ， 对模 块 的 6 类兼容性 参数 + 在设计时应实施 标准化 + 以提 高模块 的 通用化程度 和系统 的组 台化 程度。 3 3 模块标 准 美 国国防部和 美国航 空无线 电公 司先 后颁布 了一 系列模块标准 。这些标 准的削定和实 施构 成了新一代 航空标准化 与质 ： I 5 维普资讯 http:/ 航 空电子系统发 展 和更新 计 划 的基础 ， 对促 进诸 如 F 2 2等军用飞机 和渡音 一7 7 7民用客机 的研制 和使用 有着重大贡献 。可 以这 样说 ， 这 些标 准代 表 了 当今 航 空电子系统 硬 、 软 件 的应用
22、与发 展方 向。美 国 已在模 块设计中贯 彻了这些 标准。 3 3 1 美 国军用标准 美 国空军将 在新一代航空电子 系统 中所使用 的模 块 称作 为 L R M。执 行 的 是下 列 标 准 ： MI L S T D一 2 8 7 8 7 标准电子模块总规范) ； MI L S T D一1 3 8 9 ( 标准 电子模块设计要求 ； MI L S T D一1 3 7 8 ( 标准电子模块 使用要求 。模块 的安装与接 口除船用 MI L S T D一 1 7 8 8外， 还执行 M1 L S T D 8 5 7 2 5 ( 集成航空电子设 备空气强迫玲却通用规范 。 3 3、 2美国航
23、空无线 电公 司标准 美国航 空 无 线 电 公 司 于 1 9 9 1年 颁 布 了 A RI N C 6 5 1 ( 集成模块航空电子设计指南 ， 并规定用它来代替 民用飞机原来使 用 的 A R1 N C 7 0 0航空 电子设 备 系 列 标 准， 即电子设备 由集成 化 的 I MA模 块代替 如渡音 一 7 7 7飞机 已大量 采用 I MA模块 来代替 原来 的航 空电 子设 备。据报 导 ， 美 国航空无线 电公司准备将 L R M 的 最 小单元 定义为 1 A ML J 。在 新一代 民机航 空电子 系统 的模 块设 计与使用中 ， 主要采 用 以下 标准 ： A RI N
24、 C 6 5 1 集成模块航空电子设计指南 ； A R I N C 6 0 8 ( 航空电子 模块 的维修 与测试 系统 ； A R I N C 6 2 9 高速教据 总 线 ； A RI N C 6 5 2 ( 软件管理规 范 ； A R I N C 6 5 9 ( 母板标 准教据总线 ； A R 1 N C 6 5 3 ( 应用软件接 口规范 ； A R I N C 6 5 o 集成模块航空电子封装和接口 。 3 4 模块 标志的设 计 为便于模块 的更换 和识 别 ， 在模 块上 应 有标 准化 的标志 。 ( 1 )模 块 编 号。模 块 编 号 由“ 机 载 ( 用 字 母 J表 示
25、) 、 “ 模块结构形式( 分为 A、 B、 C、 D、 E 5种) 和“ 顺 序号( o o 1 -9 9 9 ) ” 组成。 ( 2 )认证 合格 标 志。经检 验合 格 的模 块 ， 应 标 上 标 志“ 。 ( 3 )模块名称 。模块名称应 与详 细 规范标 题 中的 名称相符或采用名称 的缩写 。 ( 4 )翻造厂商 的信 息。应标 有制造 厂商 的名称 或 标记及制造 日期。 ( 5 )电连接器插针标志 。把插 针 的最大 和最小 编 号用数字标注在电连接器侧板 的两 边。 ( 6 )静 电放 电标 志。对 静电 放 电敏 感 的模 块 ， 应 在模块上标注“ 等 边三角彤” 符
26、号。 3 5 模 块电连接器及插针 功能 分类 模 块通常应采用每 列 3 2针 、 3列 的电连接 器 或每 列 5 0针、 2 -7列的电莲接器。根据模块要求， 首先安 排专 用功能插针 ， 其次安排 可选 功能插针 ， 最后 安排未 用功 能插针。各插针 的安排 应符 合 MI LS T D一1 3 8 9 的规 定。 4 标准模块化结构带来的效益 4 1 由三级 维修 变为二级维修 新一代航 空电子系统把 模块 当作 外场可更 换单元 后 ， 省去了 中继级维修。据有关 资料报 导 ， 美 国空 军对 省去 中继 级维修后 所带 来的 经济 效益作 了详 细 估计 ： 外场维修人员可减
27、少一半， 航空电子系统的维护费用 可减 少 4 7 。 4 2 降低寿命期 费用 将标准化的通用模块用 于不同的分 系统 或新 的系 统中， 可省 去重 新设 计 和研 制 费用 ， 并可 缩短 研制 周 期。由于标准化 的通 用模 块 可进 行批量 生 产 ， 从 而可 更进一步降低生产费用 和采 购费用 。模块 化后 的航空 电子系统设备 、 附件 教量 将大大减 少 ， 从 而可进一 步降 低维修费用 。 4 3 有利 于系统的改进 当分系统或系统由于功能扩展要求需要增用新的 模块或增加现 用模块 时 ， 不会 影响 分 系统 或 系统 中其 他模块 的使用 ， 不需 要改变 系统结构
28、。 4 、 4 提高可保障性 过去 当一台机载设备失效 时， 需要 将整个 故障单 元从 飞机上拆下来 ， 非常 费时 、 费力 。实 现模 块化结构 后， 故障模块在外场即可更换， 大大提高了后勤保障能 力 。 4 5 降低设计风险 航空电子设备存在着初始缺皓， 其故障是损耗性 的。过去 ， 设计新 系统时 ， 都要考虑 热和机械 等特性 的 要求 ， 尽管这一步 对 系统性 能和 可靠性 来说 是 十分 关 键的， 但由于缺乏可供参考的依据， 因而增加了设计风 险。而对模块化结构， 由于匍定有模块化标准， 标准中 规定了性能和可靠性要求， 故风险因素降低。 参考文献 1 中国航空工业 总公 司六 一五 研究所 新一代航 空 电子系统文集 ， 1 9 9 4年 1 2月 2 A RI N C 6 5 1 模块化综合航空 电子 顶层设计指 南 3 MI LS i D一1 3 8 9 标准电子模块设计要求 6 1 9 年第 5期 维普资讯 http:/