摘 要:對(duì)目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)用較多的航空數(shù)據(jù)總線技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，根據(jù)實(shí)際使用情況分析了MIL_STD_1553B和ARINC429等總線技術(shù)的特點(diǎn)、存在的問(wèn)題和缺陷。在此基礎(chǔ)上描述了為適應(yīng)新的通信需要逐步發(fā)展出來(lái)的新型總線技術(shù)，包括MIL_STD_1773，STANAG 3910，Arinc629，光纖通道FC等內(nèi)容;由于FC技術(shù)具備高速率的數(shù)據(jù)傳輸特性，高可靠性通信、擴(kuò)展余度大等特點(diǎn)，非常適合航空數(shù)據(jù)通信的發(fā)展要求。

關(guān)鍵詞:航空數(shù)據(jù)總線; 高速數(shù)據(jù)總線; 光纖通道;航空數(shù)據(jù)通信

中圖分類號(hào):TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)14-0096-03

Research of Military Avionics Data Bus Technology

HU Xin1， LI Hong-jun1， CAO Nao-chang2， XIANG Xin2

(1. Aeronautical Computing Technique Research Institute， Xi’an 710068， China;

2. Engineering College， Air Force Engineering University， Xi’an 710038， China)

Abstract: Some avionics data bus technologies widely used at home and abroad is introduced. The characteristics and limitation of MIL-STD-1553B and ARINC429 data bus standard are analyzed on the basis of the practical result of application.Some new high-speed data bus technologies (such as MIL-STD-1773， STANAG 3910， Arinc629， Fiber channel， etc) developed to satisfy the new communication demand are described. FC technology possesses the potential ability to accomplish the data bus communication function of the new planes and should be the new focus technology in research and application domain for the avionics systems of the new generation domestic planes because it owns the characters of high data transmission speed， high reliability， low latency， and big-redundancy expansibility.

Keywords:avionics data bus; high-speed data bus; fiber channel; avionics data communication

0 引 言

伴隨計(jì)算機(jī)在航空電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。總線技術(shù)的出現(xiàn)是從系統(tǒng)工程的角度統(tǒng)籌設(shè)計(jì)航空電子系統(tǒng)的結(jié)果，目的是通過(guò)多路傳輸總線將機(jī)上各計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的有效傳輸、共享，實(shí)現(xiàn)座艙的綜合顯示和控制，從而形成綜合化的航空電子系統(tǒng)。

目前，總線技術(shù)已成為現(xiàn)代飛機(jī)的基本特點(diǎn)。具有代表性的總線標(biāo)準(zhǔn)包括MIL_STD_1553B和ARINC429等總線標(biāo)準(zhǔn)，在F-16，B-52，F(xiàn)-22，A310，B-747等飛機(jī)上廣泛使用。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新型高速數(shù)據(jù)總線不斷涌現(xiàn)，波音公司提出了ARINC629標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)F-22和F-35已開(kāi)始使用光纖高速數(shù)據(jù)總線。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外使用較多的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行描述和優(yōu)缺點(diǎn)分析;同時(shí)，介紹現(xiàn)階段研究較熱的部分高速總線技術(shù)。

1 MIL_STD_1553B

MIL_STD_1553B總線全稱為飛行器內(nèi)部時(shí)分命令/響應(yīng)式多路數(shù)據(jù)總線[1]，它是由美國(guó)自動(dòng)化工程師協(xié)會(huì)在軍方和工業(yè)界的支持下，正式公布于1978年，1986年~1993年進(jìn)行了修改和補(bǔ)充。我國(guó)與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是GJB289A-97。該總線采用冗余的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸數(shù)據(jù)率可達(dá)1 Mb/s ，典型的1553總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。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(biāo)準(zhǔn)化接口。該總線技術(shù)首先運(yùn)用于美國(guó)空軍F-16戰(zhàn)斗機(jī)。在過(guò)去的30年中，MIL _STD_1553B 已成功地應(yīng)用于多種戰(zhàn)機(jī)，并且成功應(yīng)用于其他控制領(lǐng)域，如導(dǎo)彈控制、艦船控制等。

2 ARINC429

ARINC429總線協(xié)議是美國(guó)航空電子工程委員會(huì)于1977年9月發(fā)表并獲得批準(zhǔn)使用的，它的全稱是數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)(DITS)。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航空電子設(shè)備及有關(guān)系統(tǒng)間的數(shù)字信息傳輸要求。ARINC429廣泛應(yīng)用在民航客機(jī)中，如B-737，A310等，俄制軍用飛機(jī)也選用了類似的技術(shù)。我國(guó)與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是HB6096-SZ-01。ARINC429總線是面向接口型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，總線上定義了2種設(shè)備，發(fā)送設(shè)備只能有1個(gè)，而接收設(shè)備卻可以有多個(gè)。發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備采用屏蔽雙絞線傳輸信息，傳輸方式為單向廣播式，調(diào)制方式采用雙極性歸零制三態(tài)碼，傳輸數(shù)據(jù)率可達(dá)100 Kb/s 。

圖1 典型的1553總線結(jié)構(gòu)

雖然MIL-STD-1553B總線和ARINC429總線在目前應(yīng)用廣泛，但在應(yīng)用中兩種總線都暴露出不同程度的缺點(diǎn)。如:MIL_STD_1553B總線由于使用窄帶寬的屏蔽雙絞線，難以在電磁干擾環(huán)境下。提供高性能和高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸，而且其最大的缺點(diǎn)是整個(gè)總線由集中的總線控制器來(lái)控制，整個(gè)總線系統(tǒng)的通信是在總線控制器的指揮下進(jìn)行的，這給總線帶來(lái)潛在的單點(diǎn)故障，影響可靠性，一旦總線控制器失效，將造成整個(gè)總線系統(tǒng)的癱瘓[2]。而ARINC429總線盡管舍棄了總線控制器，但其代價(jià)是為了使總線上信息有序傳輸而不相碰，只能1個(gè)信息源用1條429總線，這在航空電子設(shè)備激增的情形下是不允許的。當(dāng)然，ARINC429總線還有其他突出的缺點(diǎn)，如帶寬有限，技術(shù)陳舊落后，接口不能適應(yīng)新的微處理機(jī)，異步回路，因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸有延遲;當(dāng)航空電子系統(tǒng)的綜合規(guī)模增大時(shí)，由于ARINC429總線傳輸?shù)牟煌綄⑹窍到y(tǒng)性能變壞。由于這些缺點(diǎn)，在這兩種總線的使用過(guò)程中逐漸發(fā)展出進(jìn)一步的替代標(biāo)準(zhǔn)MIL_STD_1773，STANAG 3910和ARINC629標(biāo)準(zhǔn)。

3 MIL_STD_1773

1988年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了新的軍用標(biāo)準(zhǔn)即MIL_STD_1773，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要是對(duì)MIL_STD_1553在傳輸介質(zhì)上的一個(gè)改進(jìn)，其利用光纖傳輸介質(zhì)來(lái)取代屏蔽雙絞線以及電纜，其他的高層協(xié)議與MIL_STD_1553B相同。MIL_STD_1773數(shù)據(jù)總線在20世紀(jì)90年代已被美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)和海軍(NAVY)所使用，其中， F -18戰(zhàn)斗機(jī)就使用這一標(biāo)準(zhǔn)。目前，MIL_STD_1773 已發(fā)展到了雙速率、高速度的階段，其中，波音(Boeing)公司研制了基于MIL_STD_1773標(biāo)準(zhǔn)的雙速率的收發(fā)器(具有1 Mb/s和20 Mb/s兩種速率) ，其中1 Mb/s主要用于MIL_STD_1553B總線，而20 Mb/s主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸[3]。

4 STANAG 3910

在20世紀(jì)90年代初，北約(NATO)在研制歐洲新一代戰(zhàn)機(jī)時(shí)，提出了一種新的數(shù)據(jù)總線歐洲標(biāo)準(zhǔn)——STANAG3910，這種標(biāo)準(zhǔn)主要是用來(lái)改進(jìn)機(jī)載數(shù)據(jù)總線的傳輸速率，以適應(yīng)新一代戰(zhàn)機(jī)的發(fā)展要求。STANAG3910也是一種指令/響應(yīng)協(xié)議，采用雙速率傳輸總線結(jié)構(gòu)。高速通道具有20 Mb/s的傳輸速率，以滿足現(xiàn)今絕大多數(shù)戰(zhàn)機(jī)航電子系統(tǒng)之間高速通信的要求，而低速率的MIL_STD_1553B通道主要控制高速率的通信。使用相同的傳輸介質(zhì)可以連接STANAG3910系統(tǒng)和MIL_STD_1553B 系統(tǒng)[4] ，這樣就可以很方便地對(duì)MIL_STD_1553B系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，并且20 Mb/s的高速通道既可采用光纖也可采用同軸電纜作為其傳輸介質(zhì)。使用STANAG3910 可以非常有效地對(duì)現(xiàn)有MIL_STD_1553B系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以提供高傳輸速率來(lái)滿足未來(lái)戰(zhàn)機(jī)的發(fā)展需要。這樣就可以提高M(jìn)IL_STD_1553B系統(tǒng)的使用壽命，在新一代戰(zhàn)機(jī)所要求的高速數(shù)據(jù)總線和航空電子系統(tǒng)通信穩(wěn)定性(使用MIL_STD_1553B總線的系統(tǒng)性能非常穩(wěn)定)上取得較好的結(jié)合點(diǎn)[5]。事實(shí)上，歐洲2個(gè)軍用戰(zhàn)機(jī)項(xiàng)目均使用了該總線技術(shù)，如:英國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙聯(lián)合開(kāi)發(fā)的歐洲戰(zhàn)斗機(jī)(EFA)以及法國(guó)單獨(dú)研制的RAFALE戰(zhàn)斗機(jī)。

5 ARINC629

ARINC629總線是波音公司為民用機(jī)開(kāi)發(fā)的一種新型總線數(shù)字式自主終端存取通信(digital autonomous terminal access communications，DATAC)，總線傳輸率為2 Mb/s，線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合Hans準(zhǔn)則;從工作流程圖(見(jiàn)圖2)可以看出，任一終端能否占用總線，取決于2個(gè)因素:終端狀態(tài)和總線狀態(tài)。右邊支路描述終端狀態(tài)，當(dāng)終端1次發(fā)送數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)TI計(jì)數(shù)器，一直到TI計(jì)滿為止則有可能再次發(fā)送數(shù)據(jù);左邊支路描述總線狀態(tài)，當(dāng)SG和TG未計(jì)滿時(shí)，總線上出現(xiàn)信號(hào)(別的終端在發(fā)送)則將這兩個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位并重新計(jì)數(shù)，當(dāng)SG和TG計(jì)滿時(shí)，若總線上出現(xiàn)信號(hào)，則SG不復(fù)位，而TG必須復(fù)位。當(dāng)這兩條支路同時(shí)滿足條件時(shí)，本終端才發(fā)送數(shù)據(jù)。比較而言，ARINC629具有自主控制、可雙向傳輸、連接簡(jiǎn)單、“插入式”兼容等特點(diǎn)，因而在波音-777上得到了廣泛的應(yīng)用，成為機(jī)上信號(hào)處理、航空電子系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛機(jī)構(gòu)架系統(tǒng)及自動(dòng)駕駛儀通信的基礎(chǔ)。

圖2 ARINC629數(shù)據(jù)總線工作流程

MIL-STD-1773，STANAG3910，ARINC629等總線技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上緩解了軍(民)用飛機(jī)對(duì)通信的需要;但隨著技術(shù)的進(jìn)步，新一代航空電子系統(tǒng)中開(kāi)始要求大信息量的視頻、聲音、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在設(shè)備間的傳輸，同時(shí)伴隨著航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的快速提高(比上一代提高了2~3個(gè)數(shù)量級(jí))，為了解決數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和與系統(tǒng)處理速度的匹配問(wèn)題，則要求數(shù)據(jù)總線的通信速率相對(duì)三代機(jī)至少提高1000倍達(dá)到千兆比特的傳輸速率。因此上述的機(jī)載通信協(xié)議已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新型飛機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸要求。比如，美軍的F-22戰(zhàn)機(jī)就采用了數(shù)據(jù)率為400 Mb/s的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖鏈路實(shí)現(xiàn)傳感器到通用綜合處理機(jī)(CIP)及CIP到座艙控制顯示系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸;RAH-66偵察攻擊直升機(jī)也使用了數(shù)據(jù)率為800 Mb/s的光纖傳感器數(shù)據(jù)分配網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)自駕駛員夜視系統(tǒng)、目標(biāo)搜索系統(tǒng)和毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)。為了滿足上述要求，就需要制定新的航空數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)(如新型光纖通道技術(shù))來(lái)取代以上標(biāo)準(zhǔn)。

6 新型光纖通道技術(shù)

光纖通道FC(fiber channel)技術(shù)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員ANSI于1998年開(kāi)始制定的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，是將計(jì)算機(jī)通道技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，具有全新概念的通信機(jī)制[6]。2005年開(kāi)始小部分成熟的ANSI標(biāo)準(zhǔn)被ISO/IEC組織采納作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，光纖通道標(biāo)準(zhǔn)共分5層:介質(zhì)接口層、傳輸協(xié)議層、幀協(xié)議層、綜合服務(wù)層和高層服務(wù)層。其傳輸速率可達(dá)數(shù)吉比特每秒，可有效地支持無(wú)壓縮數(shù)字視頻信號(hào)的傳輸，滿足未來(lái)戰(zhàn)機(jī)的發(fā)展需求，如F-16， F-15只需要581 Mb/s的傳輸速 率。光纖通道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣，按網(wǎng)絡(luò)功能和帶寬的不同要求構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型、交換網(wǎng)型、仲裁環(huán)型等結(jié)構(gòu)。光纖通道技術(shù)受到國(guó)外尤其是美國(guó)軍方的重視，美國(guó)軍方專門成立了FC -AE ( fiber channel for avionics environment)小組，制定了航空電子版光纖通道( FC -AE)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)F-35飛機(jī)在研制中，光纖通道技術(shù)已成為高速網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)。由于光纖通道網(wǎng)絡(luò)在提供高速率傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能夠保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，這就使得它非常適合新一代飛機(jī)使用。

7 結(jié) 語(yǔ)

航空電子系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)是該總線標(biāo)準(zhǔn)是否滿足系統(tǒng)通信速率、可靠性、抗干擾、兼容性、可擴(kuò)展等要求，MIL-STD-1553B和ARINC429總線技術(shù)，由于具有一系列優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，這兩種總線技術(shù)已不能滿足新型飛機(jī)的發(fā)展要求。

為解決這些問(wèn)題，為新一代飛機(jī)的發(fā)展提供先進(jìn)的數(shù)據(jù)總線技術(shù)，必須使用新型的數(shù)據(jù)總線技術(shù)。通過(guò)以上對(duì)數(shù)據(jù)總線技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)要分析， FC技術(shù)由于具備的高速率的數(shù)據(jù)傳輸特性、高可靠性通信、擴(kuò)展余度大等特點(diǎn)，非常適合航空數(shù)據(jù)通信的發(fā)展要求，應(yīng)該成為我國(guó)航空用數(shù)據(jù)總線的研究和關(guān)注焦點(diǎn)。

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