文/張青峰 葛晨 秦正運

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。機載電子設(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、可靠的實時通信對航空數(shù)據(jù)總線提出了更高的要求，機載數(shù)據(jù)總線技術(shù)已成為現(xiàn)代先進航空電子綜合化最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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

2 航空電子體系結(jié)構(gòu)發(fā)展概述

機載數(shù)據(jù)總線技術(shù)來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)工作時是完全相互獨立的，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)通過總線實現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)，由中心控制計算機進行集中控制，實現(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，使用超級計算機構(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)在信息處理方面實現(xiàn)了高層次的綜合。

目前正過渡到先進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)，使飛機上各個系統(tǒng)處于同一個多處理網(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，實時性更好，接口更統(tǒng)一，利于維護、擴展和故障后重構(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 進行詳細闡述和對比分析。

3.1 ARINC429數(shù)據(jù)總線

ARINC429 是美國航空無線電公司（ARINC）一種單向廣播式的航空數(shù)據(jù)總線標準，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)，通信時只有一個發(fā)送器，但可以有最多不超過20 個接收器。因此，進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，信號由高電平到零電平表示邏輯狀態(tài)1，信號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，先傳標號，后傳數(shù)據(jù)。當傳輸數(shù)據(jù)時，優(yōu)先傳輸最低位。而傳輸標號時，先傳最高位后傳最低位。

ARINC429 總線結(jié)構(gòu)簡單完善，性能相對穩(wěn)定，可靠性高，價格低廉且易于認證。其缺點是帶寬有限，延遲較高。因此，ARINC429應用于對數(shù)據(jù)帶寬要求不嚴苛的場合。目前在運輸機、民航客機和兵器等領(lǐng)域得到廣泛應用。

3.2 MIL-STD-1553B總線

為適應工業(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)范的軍事標準，即MIL-STD-1553B總線。1553B 總線采用半雙工傳輸方式，最多可掛機32 個終端，依據(jù)其功能作用分為總線控制器（BC）、總線監(jiān)控器（BM）和遠程終端（RT）。BC 負責引導總線上的數(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)聽總線上的數(shù)據(jù)交換，用于對數(shù)據(jù)進行記錄和分析；RT 是一個用戶子系統(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。每個字長20位，前3 位為同步頭，接下來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，另一條總線時刻處于熱備份狀態(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時數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的半雙工以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于沒有中央控制計算機，信息包在傳輸過程中會發(fā)生碰撞，導致非常大的延遲。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，同時對以太網(wǎng)標準進行擴展，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SN（序列號）字段（占用一個字節(jié)長度），相應的IP/UDP 有效載荷長度減少一個字節(jié)，如圖2所示。

AFDX 有效載荷長度范圍為17 ～1471 字節(jié)，當載荷實際長度小于最小值時，則用0 在位后進行填充。新增的SN 字段用于實現(xiàn)虛擬鏈路上數(shù)據(jù)的順序發(fā)送和檢測數(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)連接以交換機為中心形成星形拓撲結(jié)構(gòu)，終端的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)在啟動前就裝入交換機中，與其它終端通過交換機進行數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)通信。AFDX 以兩條相互獨立的網(wǎng)絡(luò)路徑進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收端只接收最早到達的有效數(shù)據(jù)幀，同時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 是美國標準化委員會（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遇到的技術(shù)瓶頸。FC 總線從下到上定義了5 個協(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 通道的物理和信號接口（FC-PH）。FC-3 公共服務(wù)層對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 總線定義了三種拓撲結(jié)構(gòu)：點到點、仲裁環(huán)和交換式結(jié)構(gòu)。傳輸速率可達1.062Gb/s，全雙工可達2.12Gb/s，并且可通過多通道進行擴展。由于FC 總線高帶寬、低延遲、拓撲結(jié)構(gòu)靈活和支持多種上層協(xié)議等優(yōu)點，F(xiàn)C總線恰好能滿足航空電子系統(tǒng)日益增長的對數(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、拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸距離和誤碼率等方面性能進行了對比。

通過對比可以看出，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Gb/s 級別，最大節(jié)點數(shù)越來越多，連接方式更加靈活多樣，傳輸距離更加長遠，同時誤碼率和延遲也有相應降低，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

數(shù)據(jù)總線技術(shù)與航空電子技術(shù)發(fā)展同步進行，相互促進，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，應該綜合考慮其傳輸速率、可靠性、維修性、實時性、價格比等多方面因素。

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 可以實現(xiàn)穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，可用于對數(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)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭?。FC 總線以其獨特的性能優(yōu)勢，能夠提供高帶寬、低延遲、高可靠性的信息傳輸保障，實現(xiàn)多種設(shè)備資源和信息的交互共享，充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的效能，很好地適應航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在航空數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。