機(jī)載總線物理層建模方法研究

譚楚懿 郜宇杰 張致遠(yuǎn) 栗乾瀚 陳瑤 苗原榮

摘? ?要：總線系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，作為飛機(jī)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，總線系統(tǒng)的重要作用是擔(dān)負(fù)信號(hào)的輸送和分配的任務(wù)?？偩€物理層特性對(duì)總線的傳輸性能具有重要影響，建立合適的物理層模型對(duì)分析總線性能及對(duì)飛機(jī)安全性的影響至關(guān)重要。文章對(duì)不同類別總線進(jìn)行了概述，建立了總線物理層的電氣參數(shù)模型。

關(guān)鍵詞：機(jī)載總線;傳輸特性;參數(shù)模型;分析

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜航空電子系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)各個(gè)航電子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作，隨時(shí)掌握和處理瞬息萬變的數(shù)據(jù)信息，最大限度的利用各航空電子設(shè)備和子系統(tǒng)的功能，做到資源共享，使整個(gè)航空電子綜合化系統(tǒng)能夠高效可靠的工作，就需要利用高速可靠的機(jī)載總線，可以說飛機(jī)上各航電子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信和信息交換都是以航空機(jī)載總線為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)，機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)是將飛機(jī)平臺(tái)內(nèi)的設(shè)備、模塊和部件連接起來的手段，它是實(shí)現(xiàn)航空電子綜合的一項(xiàng)核心支撐技術(shù)，同時(shí)也被認(rèn)為是飛機(jī)的“中樞神經(jīng)”。飛機(jī)上被連接的設(shè)備、模塊和部件等通常都嵌入有處理器，連接區(qū)域限定在飛機(jī)平臺(tái)內(nèi)部，因此，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。機(jī)載總線種類繁多，但是，從傳輸線纜角度看，機(jī)載總線一般包括同軸電纜、屏蔽雙絞線、多股屏蔽雙絞線幾種。文章對(duì)這幾種類型線纜傳輸變化與總線性能關(guān)系進(jìn)行了分析。

1? ? 總線式互連技術(shù)

總線式網(wǎng)絡(luò)是多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)通過一條共享的廣播介質(zhì)（通信鏈路）采用時(shí)分復(fù)用的方法，實(shí)現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)共享，其特點(diǎn)是任意時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)只能被一個(gè)節(jié)點(diǎn)占用，其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送自身數(shù)據(jù)之前只能等待占用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)釋放信道資源?？偩€式網(wǎng)絡(luò)的歸一化吞吐量不可能超過1，即不可能大于網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的帶寬?？偩€式網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制方法可以采用集中式的控制方式，也可以采用分布式的控制方式。常見的總線式網(wǎng)絡(luò)包括1553B，ARINC429和CAN網(wǎng)絡(luò)等。

1.1? ARINC? 429總線

分離式航空電子系統(tǒng)中，機(jī)載電子設(shè)備之間的互連沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是ARINC429[1]總線的出現(xiàn)改善了這種情況。ARINC429總線規(guī)范闡述了通過一對(duì)雙絞屏蔽線從一個(gè)端口向其他它系統(tǒng)或設(shè)備以串行方式傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息的方法。ARINC 429總線傳輸介質(zhì)采用絞屏蔽電纜，通信采用雙極性歸零制的三態(tài)碼調(diào)制方式。絕大多數(shù)的現(xiàn)役民用飛機(jī)，許多運(yùn)輸機(jī)上和民用飛機(jī)比如A310，A300～600，B357，B747，B757，B767，其航空電子設(shè)備系統(tǒng)間的信息交換采用的都是ARINC429串行總線標(biāo)準(zhǔn)。由于單工方式的工作特點(diǎn)，信息只能從通信設(shè)備的發(fā)送口輸出，經(jīng)傳輸總線傳至與它相連的需要該信息的其他設(shè)備的接收口，信息不能倒流至發(fā)送端。在需要兩個(gè)通信設(shè)備間雙向傳輸時(shí)，使得ARINC429總線在實(shí)現(xiàn)設(shè)備間雙向通信時(shí)必須另外建立一條物理鏈路，當(dāng)設(shè)備數(shù)量增加時(shí)，飛機(jī)中的電纜數(shù)量急劇增加，為飛機(jī)帶來了重量增加和互連復(fù)雜的不利影響。

1.2? MIL-STD-1553B總線

20世紀(jì)70年代初，美國空軍萊特實(shí)驗(yàn)室開始實(shí)施DAIS計(jì)劃，首次將串行數(shù)據(jù)總線引入軍用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)中。這就是1973年頒布的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1553[2]“飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分式指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)總線”。該總線很快應(yīng)用于F-15飛機(jī)，并且我國現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)據(jù)總線通信系統(tǒng)大多采用1553B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。1553B總線使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，互連線由主總線和短截線組成。主總線是傳輸數(shù)據(jù)的主電纜，電纜兩頭由與其傳輸阻抗相匹配的電阻器進(jìn)行端接。主電纜的最大長度與電纜特性、終端數(shù)目及其分布有關(guān)，一般可達(dá)100～300 m。短截線是將終端連接到主總線的電纜。短截線的最大長度取決于它與主總線的連接方式，一般有直接耦合與變壓器耦合兩種連接方式。

1.3? AFDX網(wǎng)絡(luò)

航空電子全雙工交換以太網(wǎng)AFDX總線，是通過航空電子委員會(huì)審議的新一代機(jī)載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，是專用于航空電子網(wǎng)絡(luò)互連的“確定性網(wǎng)絡(luò)”[3]，所謂“確定性”主要是指時(shí)間的確定性，即“實(shí)時(shí)性”，實(shí)時(shí)性的性能保證機(jī)制由ARINC 664 part 7規(guī)范定義;part 7這部分還包含了固定路由和冗余數(shù)據(jù)包管理等內(nèi)容。另外，根據(jù)ARINC 664規(guī)范定義的協(xié)議族part 1～part 8，網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)綜合與區(qū)分服務(wù)、保密性和簡單文件傳輸協(xié)議（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）分別根據(jù)不同的商用或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)改造而成，可以在AFDX的上層應(yīng)用中得以應(yīng)用。典型的AFDX網(wǎng)絡(luò)由端系統(tǒng)、交換機(jī)和連接鏈路組成，端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于虛擬鏈路的流量調(diào)度以及雙冗余熱備份機(jī)制，交換機(jī)具有流量的管制與過濾功能。AFDX的物理層服從ARINC664 part 2規(guī)范中對(duì)于飛機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Aircraft Data Network，ADN）物理層的定義。

2? ? 機(jī)載總線電路參數(shù)模型

不管是同軸電纜還是屏蔽雙絞線都屬于傳輸線纜。根據(jù)飛機(jī)導(dǎo)線電氣參數(shù)的分布情況，導(dǎo)線的數(shù)學(xué)模型可以分為分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型。

在飛機(jī)的導(dǎo)線系統(tǒng)中，由于信號(hào)主要是以高頻形式傳輸，在高頻率信號(hào)范圍內(nèi)，傳輸線的各項(xiàng)參數(shù)將發(fā)生變化，直接影響著電纜的電氣性能。所以研究者考慮在趨膚效應(yīng)下各因素對(duì)電氣參數(shù)的影響。通過對(duì)飛機(jī)導(dǎo)線物質(zhì)特性的研究，可以知道導(dǎo)線的電氣特性由4個(gè)分布參數(shù)來表征：反映導(dǎo)線通過電流時(shí)，產(chǎn)生有功功率損失效應(yīng)的電阻;反映載流導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場效應(yīng)的電感;反映導(dǎo)線，帶電時(shí)，絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生泄漏電流及導(dǎo)線附近空氣游離而產(chǎn)生有功功率損失的電導(dǎo);反映帶電導(dǎo)線，周圍電場效應(yīng)的電容。以飛機(jī)導(dǎo)線中常用的同軸導(dǎo)線為例，研究導(dǎo)線的等效電路和電氣參數(shù)。同軸導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體及填充介質(zhì)所組成，借助電纜等效電路，利用電報(bào)員方程，可以得到其標(biāo)準(zhǔn)微分方程：

同軸電纜單位長度電阻R：

同軸電纜單位長度電感L：

同軸電纜單位長度電容C：

導(dǎo)線單位長度的電導(dǎo)G為：

通過分析以上表征飛機(jī)導(dǎo)線電氣特性的分布參數(shù)方程，可以發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)線的電氣參數(shù)與導(dǎo)線的材料、幾何尺寸及所填充介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，并且根據(jù)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)組成，可以利用理論計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)量的方法確定電氣參數(shù)的具體數(shù)值。

3? ? 結(jié)語

文章首先介紹了航空電子系統(tǒng)，對(duì)航電系統(tǒng)的發(fā)展歷程及關(guān)鍵支撐技術(shù)航電機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概要分析。然后，在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)載總線的物理層進(jìn)行了建模分析，得出電纜單位長度的電阻、電感、電容、電導(dǎo)與電纜物質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，為后續(xù)傳輸線路電氣特性變化的研究以及由于電氣變化對(duì)機(jī)載總線性能的影響分析奠定了理論基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]張亞維，史強(qiáng)強(qiáng)，張樂.機(jī)載飛控1553B總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)總線設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2018（8）：19.

[3]孟軍，江濤，周龍，等.AFDX與1553B機(jī)載數(shù)據(jù)總線對(duì)比分析研究[J].教練機(jī)，2018（4）：20-22.