民機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)總線概述

張燁峰

一、機(jī)載數(shù)據(jù)總線概述

現(xiàn)代飛機(jī)上各個(gè)電子設(shè)備或子系統(tǒng)都裝備了獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，而這些計(jì)算機(jī)除了滿足各個(gè)功能子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理之外，還需要進(jìn)行信息交聯(lián)達(dá)到功能綜合的目的，這就導(dǎo)致了航空電子綜合系統(tǒng)的出現(xiàn)。機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)已經(jīng)成為電傳操縱系統(tǒng)和整個(gè)航空電子系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，是航空電子綜合系統(tǒng)的工作支柱。

ARINC 429、ARINC 629是世界大型民用客機(jī)領(lǐng)域最為重要的機(jī)載總線，曾經(jīng)以優(yōu)異的性能在大型民用客機(jī)領(lǐng)域占據(jù)了統(tǒng)治地位，但是隨著航空電子技術(shù)正在向智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、綜合化等方向深層次快速發(fā)展，以航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX）為代表的新一代民用航空電子系統(tǒng)互連技術(shù)已經(jīng)崛起，將最終取代ARINC 429、ARINC 629系列總線。

二、機(jī)載總線發(fā)展

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)和總線由 1960 年到現(xiàn)在經(jīng)歷以下演化階段：

（1）分布式模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（2）分布式數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（3）集中式數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（4）綜合模塊式數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

分布式模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：機(jī)載設(shè)備主要通過大量物理鏈路連接傳遞數(shù)據(jù)，沒有通信總線，導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備難以修改和升級(jí)，而飛行管理和空中交通管理需要增加或升級(jí)民機(jī)機(jī)載設(shè)備。同時(shí)模擬計(jì)算機(jī)體積龐大。

分布式數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟使其在航空領(lǐng)域開始應(yīng)用，另一個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展是使用半雙工串行數(shù)字總線，如 429 總線。429 總線是一種傳送速度相對(duì)較慢的一對(duì)多、半雙工串行數(shù)字總線。數(shù)字計(jì)算機(jī)減少計(jì)算機(jī)體積和重量，通信總線大大減少機(jī)載設(shè)備硬線連接，同時(shí)促使不同廠家產(chǎn)品使用相同的標(biāo)準(zhǔn)接口，簡(jiǎn)化后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)和修改的壓力。典型的飛機(jī)有波音 737、早期波音 767、空客A330。

集中式數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：數(shù)字總線 1553B 的全雙工、多終端通信協(xié)議、通信速率高，可以連接各主要機(jī)載設(shè)備，機(jī)載設(shè)備如飛控系統(tǒng)內(nèi)部再使用系統(tǒng)總線。隨著新的數(shù)字總線 1553B 被確定為北約通用數(shù)字總線標(biāo)準(zhǔn)和廣泛的使用，大大降低使用成本。民用飛機(jī)機(jī)隊(duì)機(jī)載設(shè)備大量使用 429 總線，巨大的升級(jí)成本使民航業(yè)對(duì)更換 1553B 總線不積極。由于 1553B 總線使用‘命令-響應(yīng)式協(xié)議，需要一個(gè)總線控制器，民機(jī)領(lǐng)域不傾向于使用集中控制邏輯。因此民機(jī)領(lǐng)域基于 429 總線技術(shù)開發(fā)了 ARINC 629 總線，采用沖突避免協(xié)議，通過給予每個(gè)總線終端一定的時(shí)間片用于傳送數(shù)據(jù)。

綜合模塊式數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)使用開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)過大量使用驗(yàn)證成熟的商用數(shù)字總線，它通過航空電子模塊綜合多種功能。通過組件和設(shè)計(jì)的共性應(yīng)用，減少不同產(chǎn)品供應(yīng)商針對(duì)特定功能開發(fā)的獨(dú)特設(shè)計(jì)概念。大大節(jié)省了成本，由于電子元器件、通信技術(shù)和IT產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，經(jīng)過大量使用驗(yàn)證被證明技術(shù)成熟、推動(dòng)航空領(lǐng)域使用成熟的商用貨架產(chǎn)品（COTS），A380的AFDX數(shù)據(jù)總線就是這一發(fā)展趨勢(shì)的代表。

三、ARINC 429

ARINC 429是航空無線電公司為統(tǒng)一航空電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)、電器性能、外形和接插件規(guī)范而制定的航空總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于空客公司的A310/A320、A330/A340飛機(jī)，波音公司的727、737、747、757和767飛機(jī)。它將飛機(jī)的各系統(tǒng)間或系統(tǒng)與設(shè)備間通過雙絞屏蔽線互連起來，構(gòu)成了各系統(tǒng)間或系統(tǒng)與設(shè)備間數(shù)字信息傳輸?shù)闹饕窂剑M成了飛機(jī)的網(wǎng)絡(luò)體系。

ARINC 429數(shù)據(jù)總線是一種單向傳輸總線，數(shù)據(jù)流只能從發(fā)送器向傳輸器傳遞，所以不存在總線的傳輸競(jìng)爭(zhēng)問題。其傳輸速率有兩種，高速100kb/s，低速12～14kb/s，采用異步通信方式，可以有20個(gè)接收器。其信息流采用帶有奇偶校驗(yàn)的32位信息位。每個(gè)數(shù)據(jù)字被分為5個(gè)組，即：標(biāo)志碼（Label），第1～8位；源/目的識(shí)別碼（SDI），第9～10位；數(shù)據(jù)區(qū)（data），第11～29位；符號(hào)狀態(tài)為（SSM），第30～31位；奇偶校驗(yàn)位（parioty），第32位。一個(gè)數(shù)據(jù)字傳輸一個(gè)參數(shù)，如高度、速度等，兩個(gè)數(shù)據(jù)字之間有4位間隔，這個(gè)間隔作為字同步。信號(hào)波形為雙向歸零碼，其位寬取決于總線的工作速率。

四、ARINC 629

ARINC629又稱“數(shù)字式自主終端存取通信（DATAC）”，在波音777上得到了廣泛應(yīng)用。

其數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)由終端控制器、串行接口，電流型耦合器、連接電纜、總線電纜和終端電阻器組成。數(shù)據(jù)的傳輸由于連接于總線上的終端控制器進(jìn)行控制，所有的終端控制器都通過電流型耦合器并行與單一的總線電纜連接?？偩€電纜采用非屏蔽的雙絞線，最長(zhǎng)可達(dá)100m，最多可以連接120個(gè)終端。

ARINC 629系統(tǒng)是雙向傳輸，連接在總線電纜上的所有終端都可以發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。由于每一終端都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，所以存在總線資源競(jìng)爭(zhēng)的問題，這必然要求在同一時(shí)刻只能有一個(gè)終端使用總線資源，ARINC 629系統(tǒng)采用CSMA/CA解決該問題，即總線的占有控制由連接在總線上的各個(gè)終端控制器來完成。每個(gè)終端獨(dú)立決定傳輸順序，同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)終端允許發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送后，該終端必須等待所有其他的終端都給定了傳送的機(jī)會(huì)之后才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)

ARINC 629傳輸速率為2Mb/s， 其數(shù)據(jù)類型與ARINC 429 類似，不同的是，后者傳輸單位為字，而前者以報(bào)文為單位發(fā)送。報(bào)文由許多字串組成，字串又由許多字組成。每個(gè)字串之間有4位的時(shí)間間隙，字串由一個(gè)標(biāo)志碼和多個(gè)數(shù)據(jù)碼組成。標(biāo)志碼和數(shù)據(jù)碼均為20位，都包含有3位的同步脈沖和1位的奇偶校驗(yàn)脈沖，所不同的是，前者中間16位為4位通道識(shí)別/標(biāo)志擴(kuò)展位和12位標(biāo)志位，后者為16位數(shù)據(jù)。

五、AFDX

與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，AFDX網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性、實(shí)時(shí)性、信息帶寬以及冗余配置的靈活性。

AFDX系統(tǒng)由航空電子子系統(tǒng)、終端節(jié)點(diǎn)和AFDX交換機(jī)等幾部分組成。

（1）航空電子子系統(tǒng)：它是飛機(jī)上傳統(tǒng)的航空電子系統(tǒng)，如飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。航空電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為航空電子子系統(tǒng)提供了計(jì)算環(huán)境，由通過終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與AFDX的連接

（2）終端節(jié)點(diǎn)：為航空電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與AFDX的連接提供了接口，該接口向各種航空電子子系統(tǒng)提供了應(yīng)用程序接口（API），保證了各設(shè)備之間通過簡(jiǎn)單的信息接口實(shí)現(xiàn)通訊。

（3）AFDX交換機(jī)：它是一個(gè)全雙工交換式以太網(wǎng)互聯(lián)裝置，它包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)消息幀到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)是基于傳統(tǒng)的ARINC429單向消息傳輸。

由兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)為三個(gè)航空電子子系統(tǒng)提供了通訊接口。第三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供接口，實(shí)際上，它是為航空電子系統(tǒng)與外部的IP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了通訊路徑，外部的IP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以是數(shù)據(jù)傳輸或采集設(shè)備。

目前，AFDX作為A380的航空電子綜合化網(wǎng)絡(luò)，其中飛行控制系統(tǒng)、駕駛艙、燃油、動(dòng)力和客艙系統(tǒng)的電子設(shè)備，在考慮冗余配置和空間位置分布的條件下，分別與AFDX交換機(jī)相連，每臺(tái)交換機(jī)大約連接20個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，形成接入交換網(wǎng)絡(luò)；交換機(jī)之間通過通信鏈路連接，具有多條冗余路徑，形成骨干交換網(wǎng)絡(luò)。