逯計(jì)劃

（中國(guó)航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710068）

機(jī)載總線技術(shù)發(fā)展研究

逯計(jì)劃

（中國(guó)航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710068）

隨著新型飛機(jī)的研制，航空電子系統(tǒng)對(duì)機(jī)載總線帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性要求越來(lái)越高。本文分別介紹了傳統(tǒng)總線技術(shù)和新一代總線技術(shù)的幾種典型技術(shù)，描述了其優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)，然后分別對(duì)FC、AFDX、TTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了更詳細(xì)的介紹、分析和總結(jié)，最后展望了我國(guó)機(jī)載總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)載總線；FC；AFDX；TTE

0 引言

機(jī)載總線技術(shù)的發(fā)展總是伴隨著航空航天電子系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生，隨著微電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)及數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，航空航天電子設(shè)備正在向小型化、綜合化、智能化發(fā)展。同時(shí)，機(jī)載總線技術(shù)也隨之不斷跨上新的臺(tái)階，從傳統(tǒng)的低速、半雙工總線互連向高速交換式網(wǎng)絡(luò)互連發(fā)展，每一次的發(fā)展都使飛機(jī)的性能得到大幅提升。

本文分別介紹了傳統(tǒng)總線技術(shù)和新一代總線技術(shù)的幾種典型技術(shù)，描述其優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)，然后對(duì)多個(gè)典型總線技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，展望了我國(guó)機(jī)載總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 傳統(tǒng)總線技術(shù)

1.1 CAN

CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的總線之一,主要被應(yīng)用于汽車上的微控制器通信。CAN總線采用數(shù)字信號(hào)傳輸，準(zhǔn)確率高，總線拓?fù)浜?jiǎn)單，設(shè)備兼容性強(qiáng)，具有很好的性能和很高的可靠性，但總線帶寬低，因此主要用于低成本、速率要求不高的控制場(chǎng)景[1]。CAN協(xié)議模型建立在OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模型上，實(shí)現(xiàn)了OSI七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。在CAN總線系統(tǒng)中，每個(gè)控制單元根據(jù)消息分配的“優(yōu)先權(quán)”標(biāo)志控制消息的發(fā)送次序，接收控制單元選擇性的從總線上接收發(fā)送給自己的消息。

1.2 ARINC429

ARINC429總線全稱是數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)（DITS），是一種半雙工總線，具有高速與低速兩種傳輸模式，高速模式傳輸速率為100kbit/s，低速模式為12~14kbit/s。在1977年到1978年，ARINC429總線的性能得到航空公司的一致認(rèn)可，并被首次應(yīng)用于波音757、767及空客A300、A310。

ARINC429總線工作于單源-復(fù)合槽模式，采用屏蔽雙芯線作為傳輸介質(zhì)，一個(gè)源可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鱾€(gè)不同的終端和槽，如果任何一個(gè)槽設(shè)備需要回復(fù)，則需要為每個(gè)槽添加一個(gè)發(fā)射器與物理總線。因此半雙工的工作模式限制了ARINC429總線的廣泛應(yīng)用。

1.3 1553B

軍標(biāo)1553B于1978年發(fā)布，是在1553A的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的[2]。1553B是一個(gè)命令-響應(yīng)系統(tǒng)，其總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由1條屏蔽雙芯線、1個(gè)總線控制器（BC）及多個(gè)遠(yuǎn)程終端（RT）組成，BC在系統(tǒng)中扮演中央控制角色，控制整個(gè)系統(tǒng)中的BC與RT、RT與RT間消息的通信。因此，在1553B系統(tǒng)中，BC的數(shù)量只能有1個(gè)，RT的數(shù)量最多有31個(gè)。在特定的系統(tǒng)中會(huì)有兩個(gè)具有主從關(guān)系的BC，以提高整個(gè)總線的可靠性。

圖 1 1553B總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 新一代總線技術(shù)

ARINC825、ARINC429及1553B等傳統(tǒng)總線的技術(shù)發(fā)展，從一定程度上滿足了航空航天電子系統(tǒng)對(duì)通信的需求，但隨著技術(shù)的進(jìn)步,航空航天電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性提出了更高的要求，需要研發(fā)新一代總線技術(shù)來(lái)滿足新型飛機(jī)的數(shù)據(jù)要求。

2.1 FC

光纖通道( FC，F(xiàn)iber Channel) 技術(shù)數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)最早于1993 年由ANSI 的X3T11 委員會(huì)制定，后為滿足航空航天電子設(shè)備的應(yīng)用需求，光纖通道又提供了一組在航空航天電子環(huán)境中應(yīng)用的協(xié)議子集FC-AE。目前，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到機(jī)載電子系統(tǒng)中，支持1Gbps、2Gbps、4Gbps、10Gbps的傳輸速率，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)或交換結(jié)構(gòu)。各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 光纖信道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

光纖信道網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用的通信協(xié)議有FC-AE-ASM、FCAE-1553、FC-AE-VI、FC-AE-RDMA等，其中以FC-AE-1553和FCAE-ASM協(xié)議應(yīng)用比較廣泛。FC-AE-1553的優(yōu)點(diǎn)是在傳統(tǒng)的1553網(wǎng)絡(luò)和光纖信道網(wǎng)絡(luò)間架設(shè)了一座橋梁，保持原有1553網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口不變的情況下，實(shí)現(xiàn)了航電網(wǎng)絡(luò)向更高帶寬、更多接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。FC-AE-ASM直接基于幀信號(hào)層協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，每條消息的發(fā)送是隨機(jī)的，接收方按預(yù)定的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不用關(guān)心其數(shù)據(jù)來(lái)源，具有高確定性、高安全性、低延時(shí)的特點(diǎn)，代表了軍用航空電子光纖通道協(xié)議的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 AFDX

AFDX網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)90年代，由空客公司從商用以太網(wǎng)改進(jìn)而來(lái)，后被民用航空通用標(biāo)準(zhǔn)組織采納，制定了ARINC664標(biāo)準(zhǔn)[3]。

目前廣泛采用的AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型拓?fù)?，如圖2所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)AFDX端系統(tǒng)及1個(gè)AFDX交換機(jī)組成，但在特定場(chǎng)景下，為提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，會(huì)采用兩個(gè)交換機(jī)互為備份的工作方式，如IMA架構(gòu)。

圖2 AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

AFDX網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：1）支持10Mpbs、100Mpbs兩種傳輸速率；2）采用A、B雙通道冗余及余度管理技術(shù)，提高了AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性；3）采用虛通道及帶寬分配機(jī)制，提高了AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；4）提供采樣、隊(duì)列和SAP三類端口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了與ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的完美銜接；5）采用ARINC615A、ARINC665標(biāo)準(zhǔn)完成應(yīng)用軟件及配置表的加卸載；6）采用SNMP協(xié)議完成AFDX網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)。

2.3 TTE

上世紀(jì)90年代，奧地利維也納大學(xué)便開展了時(shí)間觸發(fā)的技術(shù)研究，并最終提出基于時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)的TTP協(xié)議，經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，業(yè)界又基于TTP協(xié)議開發(fā)并形成諸多時(shí)間觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)，如SAFEbus、TTA、FlexRay及TTE，其中以時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)TTE在航空航天的電子控制系統(tǒng)及汽車網(wǎng)絡(luò)兩大領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

TTE網(wǎng)絡(luò)通信速率為1Gbps，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與AFDX網(wǎng)絡(luò)類似，廣泛采用星型拓?fù)?整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)TTE端系統(tǒng)及至少1個(gè)TTE交換機(jī)組成，TTE端系統(tǒng)作為同步控制器SM或同步客戶（SC），TTE交換機(jī)作為同步集成器（CM）。

TTE網(wǎng)絡(luò)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1）提供高精度的全網(wǎng)時(shí)間同步，同步精度可以達(dá)到微秒級(jí)、亞微秒級(jí)；2）面向機(jī)載統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，提供TT（時(shí)間觸發(fā)）、RC（AFDX）和BC（以太網(wǎng)）三種不同安全等級(jí)的通信業(yè)務(wù)；3）容錯(cuò)的時(shí)間同步算法，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性；4）基于時(shí)間觸發(fā)的通信模式，網(wǎng)絡(luò)可組合性好，傳輸確定性高；5）完備的狀態(tài)機(jī)檢測(cè)，快速的故障隔離和恢復(fù)重構(gòu)；6）雙余度網(wǎng)絡(luò)；7）能夠與ARINC653標(biāo)準(zhǔn)完美對(duì)接，擴(kuò)展性好。

3 總結(jié)

在新一代總線技術(shù)中，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)以其高帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高帶寬的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于F35等當(dāng)前主流軍用飛機(jī)中，AFDX網(wǎng)絡(luò)以其高安全、高可靠的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于A380、C919等先進(jìn)的民用飛機(jī)中。為提高更高的帶寬，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)在可靠性方面相比AFDX網(wǎng)絡(luò)略差，AFDX網(wǎng)絡(luò)由于引入了虛通道及帶寬分配機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)可靠性得到了提升，但提供的帶寬與FC網(wǎng)絡(luò)相比較低。時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)TTE很好的解決了FC及AFDX網(wǎng)絡(luò)的不足，通過(guò)采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制及統(tǒng)一的時(shí)間規(guī)劃模式，嚴(yán)格地控制傳輸延遲與抖動(dòng)，為機(jī)載電子系統(tǒng)提供了一種高帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠、高安全的通信解決方案，因此TTE網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為下一代主流機(jī)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

[1]李婷.CAN總線綜述[J]北京:數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010年04期.

[2]劉士全,1553B總線應(yīng)用發(fā)展研究[J].電子與封裝,2013年12期.

[3]趙永庫(kù),AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011年12期.

Airborne Bus Technology Research And Summary

LU Jihua
(Aeronautical Computing Technique Research Institute,AVIC,Xi’an Shaanxi,710068)

With the successful development of advanced aircraft, for avionics system, the needs of higher reliability, bandwidth and stronger real-time bus technology becomes more and more urgent. Firstly, this paper introduces several typical technologies of traditional and next generation bus technology, describes its advantages and disadvantages, and then gives a more detailed explanation、summarization and analysis with FC, AFDX, TTE network technology, finally forecasts the development trend of airborne bus technology in china.

Airborne Bus;FC;AFDX;TTE

逯計(jì)劃（1984-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。