航空數(shù)據(jù)總線技術(shù)分析與發(fā)展

文/張青峰 葛晨 秦正運(yùn)

1 引言

隨著航空電子技術(shù)高速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷深刻變革，呈現(xiàn)出高度信息化、綜合化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)載電子設(shè)備或子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、信息共享和任務(wù)處理的數(shù)據(jù)總量不斷增加，提供高速、可靠的實(shí)時(shí)通信對(duì)航空數(shù)據(jù)總線提出了更高的要求，機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)已成為現(xiàn)代先進(jìn)航空電子綜合化最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文對(duì)航空電子體系結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，闡述了幾種典型的數(shù)據(jù)總線技術(shù)，并對(duì)協(xié)議規(guī)范、主要性能、應(yīng)用情況等進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 航空電子體系結(jié)構(gòu)發(fā)展概述

機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)來(lái)源于航空電子綜合系統(tǒng)的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展先后經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式和綜合式三個(gè)階段：分立式航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分系統(tǒng)自成體系，設(shè)備和系統(tǒng)工作時(shí)是完全相互獨(dú)立的，甚至執(zhí)行任務(wù)有賴于飛行員的判斷；聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將子系統(tǒng)通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)，由中心控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息的綜合顯示；第三代綜合式航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出“模塊”概念，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成通用信息處理模塊，從而取代子系統(tǒng)，通用模塊可以加載多種任務(wù)和功能，航空電子系統(tǒng)在信息處理方面實(shí)現(xiàn)了高層次的綜合。

目前正過(guò)渡到先進(jìn)綜合式航空電子系統(tǒng)階段，采用通用綜合處理器技術(shù)，與傳感器、飛行器管理系統(tǒng)提供、外掛管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換采用統(tǒng)一的高速率光交換系統(tǒng)，使飛機(jī)上各個(gè)系統(tǒng)處于同一個(gè)多處理網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)一航空電子互聯(lián)接口支持共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)，具有低延遲，實(shí)時(shí)性更好，接口更統(tǒng)一，利于維護(hù)、擴(kuò)展和故障后重構(gòu)。

表2：總線性能比較

3 典型的數(shù)據(jù)總線技術(shù)

隨著航空電子系統(tǒng)發(fā)展，涌現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)總線投入使用，其中典型的有 ARINC-429/629，CSDB，MIL-STD-1553B/1773、LTPB、FDDI、AFDX、FC等。下面將ARINC-429、MIL-STD-1553B、AFDX、FC 進(jìn)行詳細(xì)闡述和對(duì)比分析。

3.1 ARINC429數(shù)據(jù)總線

ARINC429 是美國(guó)航空無(wú)線電公司（ARINC）一種單向廣播式的航空數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，以ARINC429 數(shù)據(jù)總線構(gòu)成的系統(tǒng)是單信息源、多接收器的傳輸系統(tǒng)，通信時(shí)只有一個(gè)發(fā)送器，但可以有最多不超過(guò)20 個(gè)接收器。因此，進(jìn)行雙向通信則需在兩端各自鋪設(shè)一根傳輸總線。ARINC429 數(shù)據(jù)總線傳輸雙極歸零的調(diào)制信號(hào)，信號(hào)由高電平到零電平表示邏輯狀態(tài)1，信號(hào)由低電平到零電平表示邏輯狀態(tài)0。傳輸速率一般有100kbps 和48kbs 兩種。傳輸協(xié)議采用帶奇校驗(yàn)的32 位信息字，格式如表1所示。

數(shù)據(jù)傳輸順序由第1 位依次發(fā)送至32 位，先傳標(biāo)號(hào)，后傳數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先傳輸最低位。而傳輸標(biāo)號(hào)時(shí)，先傳最高位后傳最低位。

ARINC429 總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單完善，性能相對(duì)穩(wěn)定，可靠性高，價(jià)格低廉且易于認(rèn)證。其缺點(diǎn)是帶寬有限，延遲較高。因此，ARINC429應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)帶寬要求不嚴(yán)苛的場(chǎng)合。目前在運(yùn)輸機(jī)、民航客機(jī)和兵器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3.2 MIL-STD-1553B總線

為適應(yīng)工業(yè)和軍事的需要，1973年，美軍和政府共同推出一種多路數(shù)據(jù)總線電氣特性和協(xié)議規(guī)范的軍事標(biāo)準(zhǔn)，即MIL-STD-1553B總線。1553B 總線采用半雙工傳輸方式，最多可掛機(jī)32 個(gè)終端，依據(jù)其功能作用分為總線控制器（BC）、總線監(jiān)控器（BM）和遠(yuǎn)程終端（RT）。BC 負(fù)責(zé)引導(dǎo)總線上的數(shù)據(jù)流，是唯一可發(fā)布數(shù)據(jù)傳輸或控制管理指令的設(shè)備；BM 監(jiān)聽(tīng)總線上的數(shù)據(jù)交換，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析；RT 是一個(gè)用戶子系統(tǒng)，在BC的控制下發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。1553B 總線采用曼徹斯特II 型編碼，其消息分為指令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字3種不同類型的字。每個(gè)字長(zhǎng)20位，前3 位為同步頭，接下來(lái)16 位為信息字段，在3 種字類型中各不相同，最后1 位為奇偶校驗(yàn)位。其定義如圖1。

圖1：1553B 字格式

使用1553B 總線傳輸數(shù)據(jù)，為提高其可靠性，一般使用雙冗余總線。即一條總線工作時(shí)，另一條總線時(shí)刻處于熱備份狀態(tài)。

1553B 總線因其技術(shù)成熟，且具可靠性和靈活性，廣泛應(yīng)用與軍事、工業(yè)和科技領(lǐng)域。

3.3 AFDX總線

AFDX 是基于IEEE-802.3 以太網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性而發(fā)展的一種航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)，為關(guān)鍵系統(tǒng)提供高速且可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的半雙工以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有中央控制計(jì)算機(jī)，信息包在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致非常大的延遲。為了避免這種狀況，AFDX 借鑒異步傳輸模式ATM 的概念，采用了全雙工的交換機(jī)，同時(shí)對(duì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，保證確定性的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。AFDX 幀結(jié)構(gòu)在IEEE-802.3 以太網(wǎng)幀的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)SN（序列號(hào)）字段（占用一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度），相應(yīng)的IP/UDP 有效載荷長(zhǎng)度減少一個(gè)字節(jié)，如圖2所示。

AFDX 有效載荷長(zhǎng)度范圍為17 ～1471 字節(jié)，當(dāng)載荷實(shí)際長(zhǎng)度小于最小值時(shí)，則用0 在位后進(jìn)行填充。新增的SN 字段用于實(shí)現(xiàn)虛擬鏈路上數(shù)據(jù)的順序發(fā)送和檢測(cè)數(shù)據(jù)幀是否丟失，從而保證接收端能夠接收到完整的幀序列。

AFDX 網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可選擇10MB/s 或100MB/s，其特點(diǎn)是采用全雙工開放式系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)連接以交換機(jī)為中心形成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)在啟動(dòng)前就裝入交換機(jī)中，與其它終端通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)通信。AFDX 以兩條相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收端只接收最早到達(dá)的有效數(shù)據(jù)幀，同時(shí)因其提供有保證的服務(wù)，所以AFDX 網(wǎng)絡(luò)具備一定的可靠性。

3.4 FC總線

FC 是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（ANSI）1988年提出的高速串行傳輸總線，解決了并行總線在高速通信時(shí)遇到的技術(shù)瓶頸。FC 總線從下到上定義了5 個(gè)協(xié)議層，分別為FC-0、FC-1、FC-2、FC-3、FC-4，

FC-0 物理鏈路層定義了FC 通道的物理傳輸介質(zhì)和傳輸速率等。FC-1 編碼/解碼層定義了總線傳輸協(xié)議，包括串行編碼、解碼規(guī)則和差錯(cuò)控制。FC-2 鏈路控制層定義了數(shù)據(jù)傳輸方式，以及幀格式、幀序列、通信協(xié)議和服務(wù)分類。FC-0、FC-1、FC-2 組成FC 通道的物理和信號(hào)接口（FC-PH）。FC-3 公共服務(wù)層對(duì)FC-PH 層以上的高層協(xié)議提供一套通用的公共通信服務(wù)。FC-4 映射協(xié)議層定義FC 通道的應(yīng)用接口，規(guī)定了上層協(xié)議到FC 通道的映射。

圖2：AFDX 幀格式

FC 總線定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換式結(jié)構(gòu)。傳輸速率可達(dá)1.062Gb/s，全雙工可達(dá)2.12Gb/s，并且可通過(guò)多通道進(jìn)行擴(kuò)展。由于FC 總線高帶寬、低延遲、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活和支持多種上層協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)C總線恰好能滿足航空電子系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的對(duì)數(shù)據(jù)要求高速和低延遲傳輸?shù)男枰?/p>

4 分析比較

綜合分析上述幾種典型的航空數(shù)據(jù)總線，表2從傳輸速率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸距離和誤碼率等方面性能進(jìn)行了對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比可以看出，數(shù)據(jù)總線從較早的ARINC429 到1553B 再到FC 總線技術(shù)，總線的性能逐步提升。其中通信速率已達(dá)Gb/s 級(jí)別，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)越來(lái)越多，連接方式更加靈活多樣，傳輸距離更加長(zhǎng)遠(yuǎn)，同時(shí)誤碼率和延遲也有相應(yīng)降低，航空數(shù)據(jù)總線朝著高帶寬、低延遲的方向不斷發(fā)展，提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)總線技術(shù)與航空電子技術(shù)發(fā)展同步進(jìn)行，相互促進(jìn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)綜合化的關(guān)鍵技術(shù)之一，在很大程度上提升了飛機(jī)本身的性能和完成任務(wù)的能力。因此，選擇和使用數(shù)據(jù)總線，應(yīng)該綜合考慮其傳輸速率、可靠性、維修性、實(shí)時(shí)性、價(jià)格比等多方面因素。

航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)朝著信息化、綜合化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，AFDX 基于以太網(wǎng)的廣泛商業(yè)應(yīng)用，以其高速率和低成本的特性，適用于民用航空領(lǐng)域。ARINC429 和1553B 可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，可用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求一般的環(huán)境，但難以滿足現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭?。FC 總線以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，能夠提供高帶寬、低延遲、高可靠性的信息傳輸保障，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備資源和信息的交互共享，充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的效能，很好地適應(yīng)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在航空數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。