中继总线仪

成果名称 航空数据总线故障注入系统 单位名称 北京旋极信息技术股份有限公司 联系人 王宁 联系邮箱 wangning@watertek.com 成果成熟度 □正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 &radic 可以量产 合作方式 □技术转让 □技术入股 □合作开发 &radic 其他 成果简介： 本项目的需求比较复杂，指标较高，技术实现难度较大，因此采用了多项关键技术，主要如下所示： （1)大规模FPGA 的电路设计及逻辑实现 为了实现本项目的各项功能需求和技术指标，尤其是对高速数据的处理，采用大规模FPGA 势在必行。 本项目的FPGA选用XILINX公司高端大容量Virtex-6系列的器件。Virtex-6系列的器件是XILINX公司的新一代高端FPGA产品，具有大容量和高速的优点，并且内部的硬核还能实现PCI-E 接口功能。板卡通过FPGA 的PCI-E 接口实现同加固便携计算机的数据通信。 （2)200MHz 采样速率的AD 采集和DA 输出的实现 鉴于AD采集和DA输出都需要达到200MHz的较高速率，因此系统采用FPGA来实现对ADC 和DAC 进行控制。为了实现高速接口速率，ADC和DAC都选用LVDS接口器件，FPGA的LVDS接口的收发速率都超过500MHz，能够轻松实现200MHz 的速率要求。 （3)高速布线技术 由于本系统具有高速数字接口（如：PCI-E 接口、DDR3 接口等）和高速模拟量接口（如：ADC、DAC 等），需要较高的PCB 布线技术。 为了保证PCB布线的质量，PCB设计采用外包的方式进行。由具有丰富PCB设计经验的专业公司和专业设计人员进行PCB设计，既能保证PCB设计的质量，又能保证开发进度。 （4)PCI-E 技术 PCI-E 接口是本系统中FPGA 和处理器之间的主要数据传输通道，在实现时需要同时保证高速大容量数据传输和实时地命令传输。 在硬件上，在便携计算机上带有PCI-E 接口插槽；功能板设计成PCI-E 板卡结构，功能板上的PCI-E 接口由功能板上的FPGA 自带的硬核模块实现。 在软件上，需要考虑PCI-E 接口传输消息的优先级，优先传输具有实时要求的控制命令，从而保证控制命令的快速响应。对于高速大容量数据的传输，需要采用DMA的方式进行处理，尽量降低数据传输过程对处理器的占用，使处理器能够有更多的时间进行其他方面的工作。 （5)大容量高速数据存储技术。 本项目对数据存储的要求主要有2 个方面：1）高速数据的连续存储；2）大容量数据的存储。 针对这2项要求分别进行设计。 (1)高速数据的连续存储。 在最高采样速率200MHz，12bits 分辨率存储时，每秒钟产生的数据约为300MB。 对采样数据进行实时压缩，经过验证，对于1553B 的采样数据一般的压缩率约为3:1~4:1，这里按照压缩率3:1 计算，经过压缩后需要存储的数据约为100MB/s。 数据需要通过PCI-E接口传输给便携计算机进行存储。单路PCI-E接口的最大传输速率约为250MB/s，完全能够满足100MB/s 的传输要求。 数据传输给便携计算机后，由便携计算机将数据写入存储器中。经过调研，普通机械硬盘的连续写速率150MB/s，能够满足100MB/s 的连续写速率要求。 以采用SSD 固态硬盘容量240GB 进行计算，能够连续存储约40 分钟的数据。 (2)大容量数据的存储。 为了能够保存更多的数据，除SSD固态硬盘外，系统还要挂接1块大容量机械硬盘，容量为2TB。 在系统空闲时，可以将SSD 固态硬盘中存储的数据转移存储到机械硬盘中，使系统能够再次进行高速数据的连续存储。 2TB容量的机械硬盘能够存储超过5小时的数据，能够满足存储约2小时数据的要求。 航空数据总线故障注入系统主要针对的是4Mb/s速率的1553B总线测试，兼顾标准1Mb/s速率的1553B总线测试。 结合市场和用户的需求，此次设计的产品在标准故障注入的基础上进行了较大创新，通过对高速采样数据的压缩和存储，能够实现对录取数据的波形回放等功能，这些功能在性能验证、故障分析和故障诊断等方面能够发挥积极作用。 4Mb/s速率的1553B总线是国内部分研究机构提出的标准，目前还没有相关的测试设备。本课题研制的设备填补了我国在4Mb/s速率的1553B总线测试方面的空白，满足了用户的迫切需求，获得了用户好评。 应用前景： &ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 从2010年6月设计定型以来，已经累计生产和销售近百套，主要应用于我国航空、航天、国防等行业的科研、生产和测试部门。 &ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 的主要用户有： 中国航天科技集团的多个研究所 中国兵器工业集团的多个研究所中国航天科工集团的多个研究院/研究所 中航集团的多个研究所的多个研究所 中国电子科技集团公司的多个研究院/研究所 在&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 的应用过程中，用户对该系统的总体情况进行了肯定，有些用户根据自身的情况对该系统提出了许多改进意见和建议。根据用户的反馈，公司组织人员对系统进行了深入的分析，总结出系统的不足并投入人力加以改进。 随着客户群的增加，客户的需求也在增加，当前&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 的测试对象已经从设计初期的5种，增加到了10种。当前&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 不但能够实现对ARINC429、MIL-STD-1553B等传统航空总线的测试，还能实现对UART、隔离IO、CAN总线等通用接口实现测试。2012年，随着公司主要投资项目&ldquo 新一代航空总线产品的研制及产业化项目&rdquo 的启动，针对新一代航空总线的故障注入产品的研发将会启动。 2012年，&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 的对象从航空、航天、国防等行业进一步扩展，将会辐射到工业和民用等各个领域，生产和销售超过100套。 一、经济效益 航空数据总线故障注入系统项目从2009年8月立项进行研发，2010年开始形成研发产品及为客户提供技术支持服务，截止到2011年底累计新增销售收入2007万元，基于此技术其中签订技术性合同近850万元并形成技术收入，此项技术收入按收入额的5%缴营业税，缴7%城建税和3%的教育费附加，新增利润额缴15%的企业所得税，余下的壹千多万元是产品收入缴17%的增值税及其他税种，此项技术、产品主要应用于航空、航天、兵器、船舶等行业的设计、测试、生产部门，用于高可靠性、高稳定性设备的设计评估、调试、检测等环节，使用单位应用此技术、产品提到了劳动生产率，劳动生产率的提到表明在单位时间内产品数增加、单位成本降低；通过应用这项技术使产品质量提高，产品质量提高销售价格提高；两个相同投入的生产者，生产率低的一方，意味着生产成本高，那么产品就不得以较高的价格出售，无法同生产率高的一方竞争，必然被淘汰掉，而生产率高的一方，以较低的价格出售产品依然可以获得利润更具竞争力，此项技术的应用增加了企业的利润，为社会填补了技术空白，提高了社会生产率、提高了产品质量，带动了本企业相关产品的的研发与销售，新增企业的利润，为国家多缴了税金。&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 已经应用到了我国航空、航天等行业的许多科研、生产和测试部门，增强了这些部门的设计验证能力，促进了我国航空、航天事业的进步，具有战略深远的意义。 二、社会效益（生态效益、环境效益） &ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 主要应用于航空、航天、兵器、船舶等行业的设计、测试、生产部门，用于高可靠性、高稳定性设备的设计评估、调试、检测等环节。 在&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 研制成功之前，国内现有的故障注入产品种类很少，已有的产品功能单一，基本上只能实现有限的特定功能。市场现有的德国TechSAT公司的ADS2产品内部集成的FIBO功能，只能模拟信号连接线之间的物理层故障，其工作方式针对信号线。另外一些故障注入产品，只能够实现部分协议层的故障注入功能功能。国内外尚没有1种能够同时实现物理层、电气层和协议层的故障注入设备。国内外现有的故障注入产品，都是针对单一总线的专用产品，不能实现对多总线系统的综合测试。 &ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 的研制成功，大大提升了故障注入产品的的性能，为我国航空、航天等行业的高可靠性、高稳定性的设计提供了有效的验证手段。 &ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 的主要点和优势如下： 1、同时实现物理层、电气层和协议层的故障注入操作，能够对多台设备进行协同控制； 2、实现物理层和电气层任意波形噪声的产生和叠加； 3、采用非侵入式故障注入方案，使用时不需要对原有系统进行更改； 4、故障注入过程可定量参数，可重复实现； 5、支持高级编程方式，通过设计一系列的故障活动，组成故障序列执行，支持自动测试过程； 6、支持外部触发方式，通过多类型故障注入设备和通用测试平台协同工作的应用，实现系统级故障注入。 当前&ldquo 航空数据总线故障注入系统&rdquo 已经应用到了我国航空、航天等行业的许多科研、生产和测试部门，增强了这些部门的设计验证能力，促进了我国航空、航天事业的进步。 三、对本市经济、社会发展的推动作用 《北京市&ldquo 十二五&rdquo 时期科技北京发展建设规划》中明确提出了以关键技术突破和标准创制为切入点，积极培育新一代信息技术、生物医药、新能源、节能环保、新能源汽车、新材料、高端装备制造和航空航天等战略性新兴产业，发挥其战略导向性、全局带动性和内源驱动性作用，强力促进发展方式转变和产业结构优化升级。航空数据总线故障注入系统与这一方针密切相关，完全符合北京市发展建设规划支持科技创新与产业发展的范畴。 旋极公司2008年营业收入5860万元人民币，上交税金485万元；2009年1.03亿人民币，上交税金768万元；2010年1.82亿人民币，上交税金1159万元；2011年2.99亿人民币，上交税金1979万元。2008年-2011年公司营业收入复合增长率达77.67%，净利润复合增长率达127.08% 。 本项目具有自主知识产权，技术国际领先，适用领域从军事到民用，从工业制造到高科技行业。可广泛应用于航空、航天、兵器、船舶等各行业的设计、测试、生产部门，市场前景广阔，产业化条件非常良好。前期的项目起步阶段，核心团队从技术研发人员、销售团队等共有30余人，每年可为社会提供30-50个就业岗位，在拉动就业等方面有着重要的社会意义。 综上所述，本项目必将为海淀区经济、社会发展做出贡献。 知识产权及项目获奖情况： 实用新型专利：数据处理中心 专利号：ZL 2013 2 0409762.8 实用新型专利：一种总线数据录取系统 专利号：ZL 2013 2 0403846.0 北京市科学技术奖叁等奖

与制造业一样，现场总线系统的使用也在生产和加工过程自动化步骤中建立了自己的地位，今天，50%已安装的智能现场设备通信仍然通过非常流行的4-20 mA/HART协议。然而，除此之外，随着当今数据量的增长和对灵活网络设计的更高要求，Foundation Fieldbus (FF)和Profibus也越来越得到广泛的应用。 FF是在美国开发的，目前仍被广泛使用，而Profibus是欧洲过程工业中领先的现场总线系统。这两种系统都比HART更具有优势，因为HART不是严格意义上的现场总线系统，它将测量值作为模拟标准信号传输，诊断和设备功能在此基础上进行调制，这样带来的好处包括: 1. 使用FF或Profibus的数字数据传输在显著更高的带宽和大量可能的网络参与者的情况下进行。2.现场总线允许实现分散控制系统，以及设置时间戳和警报处理。3. 故障、设备故障或进程中不可预见的变化的发生可以立即检测到。 如果分析器有标准化的现场总线接口，它们可以优化地集成到新的或现有的主机系统中。通过这种方式，控制中心可以随时访问当前测量值、设备数据和配置。 用于测量pH值、电导率和溶解氧的Stratos系列Knick分析仪(总线版本)为您提供Profibus DP、Profibus PA或Foundation Fieldbus集成接口。总线接口由Profibus用户组织Foundation Fieldbus根据当前的Profibus PA Profile 3.02或Foundation Fieldbus总线版本ITK 6.1.1进行认证。科伲可（上海）电子测量仪器贸易有限公司上海市黄浦区复兴中路369号大同商务大厦5楼501室

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子存储和量子中继领域取得重大进展。该团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继。该成果6月2日23点在线发表在国际著名学术期刊《自然》上。图1 基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子存储器构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，从根本上限制了纠缠分发的速率。理论研究表明，基于吸收型量子存储器的量子中继架构可以解决这一问题。这一架构把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究，近十年不断提升固态量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求，包括使存储保真度达99.9%、模式数达100个、光存储寿命达1小时等。在本实验中，研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向，为实用化高速量子网络的构建打下基础。审稿人对该工作给予了高度评价：“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance（这个实验采用系综存储器，在量子中继应用中具有一系列的优势，比如多模式复用）”；“the demonstration is a very straight forward and clean demonstration of the quantum repeater elementary link… it is a significant accomplishment that will form the basis for further research（这个实验是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示，… … 这是一项重要的成就，将为接下来的研究奠定基础）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就）”。中科院量子信息重点实验室的博士后刘肖和博士研究生胡军为该论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3 图2 实验装置图（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）