基于聯(lián)邦架構(gòu)的數(shù)據(jù)總線應(yīng)用

*通訊作者：秦嶺，1980年4月，男，漢族，重慶人，現(xiàn)任航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院工程師，碩士。研究方向：航電系統(tǒng)集成。

摘? ? 要：航空數(shù)據(jù)總線技術(shù)是飛機航空電子綜合化最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，航空電子系統(tǒng)性能直接決定著飛機性能的優(yōu)劣，隨著通用總線技術(shù)的發(fā)展以及航空電子系統(tǒng)綜合化程度的進一步提高，總線技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的作用日益重要?？偩€通信以其傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐量大、可極大減少機上導(dǎo)線數(shù)量從而減輕飛機自重等優(yōu)點，在現(xiàn)代飛機上獲得廣泛應(yīng)用，作為傳輸信息指令的公共路徑，數(shù)據(jù)總線儼然已成為航空電子系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，通過數(shù)據(jù)總線可以實現(xiàn)飛機上各傳感器之間，以及各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，最終達到信息共享和功能綜合的目的。

關(guān)鍵詞：總線;數(shù)據(jù)通信;聯(lián)邦架構(gòu);航空電子系統(tǒng)

一、概述

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場信息的全方位收集、高速有效地傳輸和處理是大幅度提高飛機綜合作戰(zhàn)效能及取得戰(zhàn)爭主動權(quán)和勝利的關(guān)鍵[1]。自20世紀70年代以來，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)等都有了長足的發(fā)展，這些技術(shù)推動了航空電子綜合化的進程，為實現(xiàn)飛機上各執(zhí)行功能單元與子系統(tǒng)之間的信息傳遞與功能綜合，應(yīng)用總線來實現(xiàn)是一個完美的解決方案。

二、數(shù)據(jù)總線的特點及其應(yīng)用

聯(lián)邦架構(gòu)（federated architectures）由一些相互連接但功能卻相互獨立的子系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)總線是聯(lián)邦架構(gòu)系統(tǒng)的基本實現(xiàn)技術(shù)[2]，由于聯(lián)邦架構(gòu)源于單個獨立子系統(tǒng)設(shè)計，有著廣泛可靠的產(chǎn)品供應(yīng)基礎(chǔ)，設(shè)計風險最小，成本最優(yōu)，因此成為現(xiàn)役飛機系統(tǒng)集成的標準結(jié)構(gòu)?？偩€的基本功能是數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信的過程是兩個或多個節(jié)點之間借助于傳輸介質(zhì)以二進制形式進行信息交換的過程，將數(shù)據(jù)準確、及時地傳送到正確的目的地，是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本任務(wù)[3]。總線技術(shù)起源于航空電子系統(tǒng)的綜合化，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，飛機航空電子系統(tǒng)對總線的性能提出了越來越高的要求，其傳輸協(xié)議和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了深刻的變化，從點對點的拓撲結(jié)構(gòu)到總線、再到交換網(wǎng)絡(luò)，新的總線技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，功能越來越強大。

隨著現(xiàn)代飛機要完成的任務(wù)越來越復(fù)雜，作為飛機的重要組成部分，航空電子系統(tǒng)凸顯出越來越重要的作用，總線作為傳輸媒質(zhì)在信源（諸如各類傳感器）與信宿（機載計算機等）之間進行信息的傳遞與交換。總線是傳輸信號的公共路徑，各節(jié)點在總線上遵循著相同的技術(shù)規(guī)范與傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)通信是總線系統(tǒng)的基本功能，通過總線可以完成數(shù)據(jù)信息的多路傳輸并允許數(shù)據(jù)和計算結(jié)果共享，因而將會減輕系統(tǒng)的重量并保證所有連接到總線上的分系統(tǒng)能使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，同時多路傳輸亦能優(yōu)化航空電子系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)不同類型飛機的技戰(zhàn)術(shù)特點，可以選擇相應(yīng)的總線類型與飛機設(shè)計需求相匹配。

三、數(shù)據(jù)總線的適用范圍及設(shè)計要求

自從有人駕駛的動力飛機問世以來，飛行安全要求一直是飛機設(shè)計的最高目標，其他所有的設(shè)計目標都要服從于這項最高的目標[4]。在民用航空領(lǐng)域中，把乘客安全的送達目的地始終是民用客機設(shè)計的最為關(guān)注的目標，其飛行的經(jīng)濟性、舒適性和正點運行雖然同樣也是重要的目標，但相對于飛行安全而言，這些都處于次要的地位;在軍用領(lǐng)域中，除飛行安全性的目標要求之外，還有完成飛行任務(wù)的目標要求，在軍用設(shè)計規(guī)范中，這兩項目標是并列的。早期采用機械操縱系統(tǒng)的運輸機和轟炸機甚至殲擊機其飛行包線并不大，僅靠氣動布局設(shè)計所得到的自身穩(wěn)定性已能夠滿足當時的飛行要求，隨著飛行任務(wù)日趨復(fù)雜化，駕駛員利用機械桿系操縱飛機變得越來越困難，此時將駕駛員操縱裝置所發(fā)出信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)阶灾魇蕉鏅C的電傳操縱系統(tǒng)應(yīng)運而生[5]?，F(xiàn)代電傳操縱飛機的一般性設(shè)計要求可歸納如下。

（一）功能要求

具備人工與自動飛行控制功能。

（二）性能要求

滿足所屬類型飛機操縱穩(wěn)定性設(shè)計要求。

（三）四性要求

適合所屬類型飛機的測試性（例如BIT）設(shè)計要求、可靠性（如平均故障間隔飛行時間MFHBF）設(shè)計要求、安全性（Ⅰ類、Ⅱ類功能故障的發(fā)生概率）設(shè)計要求、維修性與綜合保障性設(shè)計要求。

（四）冗余度要求

保證有多重（套）系統(tǒng)可以執(zhí)行同一項工作任務(wù)。

（五）生存力要求

針對軍機的戰(zhàn)斗損傷及被擊中概率的設(shè)計要求。

四、設(shè)計實例分析

數(shù)字電子技術(shù)的進步促進了一些非常復(fù)雜子系統(tǒng)的發(fā)展，雖然仍注重功能的獨立，但能夠通過總線連接實現(xiàn)信息共享，這正是基于聯(lián)邦架構(gòu)總線設(shè)計的優(yōu)勢之一。在幾種常用的數(shù)據(jù)總線中，按傳輸能力可分為兩類，一類是最大傳輸速率在1～2 Mbps的數(shù)據(jù)總線;另一類是50～100 Mbps的高速數(shù)據(jù)總線。在軍用數(shù)據(jù)總線方面，MIL-STD-1553B是應(yīng)用時間最早、最為持久、生命力最頑強的總線技術(shù)，它為適應(yīng)軍事的需要而提出，具有很高的可靠性和靈活性，加之技術(shù)比較成熟，所以應(yīng)用非常廣泛，不論是運輸機、轟炸機、殲擊機、預(yù)警機、直升機甚至飛機與掛載導(dǎo)彈之間的數(shù)據(jù)通信都采用該總線技術(shù)[6]。1553B總線傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，節(jié)點耦合的方式有直接耦合與變壓器耦合，數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特Ⅱ型碼，典型傳輸速率為1 Mbps，傳輸字長為20位，其中數(shù)據(jù)有效長度為16位，字的前三位是同步字頭，最后一位是奇偶校驗位，傳輸協(xié)議為命令/響應(yīng)方式，故障容錯采用典型的雙冗余方式即實際使用中第二條總線處于熱備份狀態(tài)。MIL-STD-1553B廣泛應(yīng)用于軍用飛機的總線結(jié)構(gòu)，所有傳輸均由中央控制器嚴格控制，其主要功能是為所有連接到總線上的航空電子系統(tǒng)提供綜合化、集中式的系統(tǒng)控制和標準化接口，經(jīng)過四十多年的研究與應(yīng)用，已經(jīng)成為第二、三代作戰(zhàn)飛機的主流總線結(jié)構(gòu)[7]。由于具有較高的作戰(zhàn)耐損性和可靠性，特別適合在關(guān)鍵的計算模塊與實時傳感器和控制器之間互連應(yīng)用，該總線技術(shù)首先運用于美國空軍的F-16戰(zhàn)斗機，其后的F-18、B-1、RAH-66等均使用這種總線[8]。如下圖1所示為國外某型飛機系統(tǒng)內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。

飛機采用四余度飛控計算機對副翼、方向舵、升降舵等關(guān)鍵操縱面進行控制，輔助飛行控制系統(tǒng)采用兩余度計算機，對襟縫翼等輔助操縱面進行控制，余度計算機間直接采用交叉數(shù)據(jù)鏈進行信息共享。由于飛控系統(tǒng)必須具有很高的完整性及安全性（為飛機功能的最高級別飛行級），因此在選擇飛控系統(tǒng)總線時著重考慮關(guān)鍵模塊之間互聯(lián)的可靠性，故飛控系統(tǒng)內(nèi)部即主飛控計算機、自動飛控計算機、襟縫翼控制計算機之間通信選用1553B總線作為獨立的內(nèi)總線。

五、結(jié)束語

數(shù)據(jù)總線的出現(xiàn)和發(fā)展是由電子科學(xué)和系統(tǒng)工程的技術(shù)進步來推動的，是計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和電子技術(shù)等工程科學(xué)的交叉與融合?，F(xiàn)代飛機中各系統(tǒng)之間依靠總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通過總線完成數(shù)據(jù)信息的多路傳輸并允許數(shù)據(jù)和計算結(jié)果共享，聯(lián)邦架構(gòu)由于邊界定義明確，從商業(yè)和技術(shù)諸角度看有著明顯的優(yōu)勢。飛機上各系統(tǒng)角色分工不同，執(zhí)行的任務(wù)不同，對信息傳輸?shù)囊笠哺饔胁町?，針對上述要求，我們?yīng)合理分析、強化論證、充分借鑒，結(jié)合前文所述內(nèi)容對利用好、駕馭好基于聯(lián)邦架構(gòu)的數(shù)據(jù)總線技術(shù)，對飛機航電系統(tǒng)的設(shè)計有重要的參考意義。

參考文獻：

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[2]熊華鋼，周貴榮，李峭.機載總線網(wǎng)絡(luò)及其發(fā)展[J].航空學(xué)報， 2006（6）.

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[4]MIL-STD-1553 Tutorial. Condor Engineering， Inc. 2005.

[5]支超有.機載數(shù)據(jù)總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社， 2009.

[6]寇明延，趙然.現(xiàn)代航空通信技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2011.

[7]Kowal Brian W，Scherz Cart J， Quinlivan Richard. C-17 Flight Control System Overview. IEEE AES MAGAZINE. 1992.

[8]趙永庫.新一代航空電子總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].航空計算技術(shù)， 2005（3）.