航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)研究綜述

曹慶年　晉軍茹　孟開元

摘要：隨著現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)趨于復(fù)雜多元化，在性能上要求更加嚴格。文章首先對航空電子系統(tǒng)簡要概述，然后對幾種典型的航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)分析研究，最后總結(jié)并指出航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢。文章對于航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)的研究，有望為后續(xù)研究人員提供參考，促使其更好地發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空電子系統(tǒng);MIL-STD-1553B;ARINC429;FC;TTE

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0001-02

1 引言

近年來，面對現(xiàn)代航空領(lǐng)域飛行器傳輸數(shù)據(jù)量的劇增，航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜化，所需執(zhí)行任務(wù)的多元化，并且在實時性以及可靠性等多個方面有了更高的要求，因此航空電子系統(tǒng)需要不斷發(fā)展才能滿足現(xiàn)代針對于數(shù)據(jù)傳輸提出的新需求。航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)是航空電子系統(tǒng)的核心部分，總線技術(shù)決定并衡量航空系統(tǒng)的整體性能，總線技術(shù)為航空系統(tǒng)提供支持并推動其不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的總線技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代的需求，新一代的總線技術(shù)才可以適應(yīng)時代的新需求，從而提高航空電子系統(tǒng)的整體性能，最終使飛行器的整體性能得以提升，保證飛行器的舒適性、安全性和可靠性。

2 航空電子系統(tǒng)概述

航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)和航空電子系統(tǒng)的關(guān)系是密不可分的，總線技術(shù)是在航空系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演變而來的，二者相輔相成，共同發(fā)展。航空電子系統(tǒng)在早期復(fù)雜程度不高，主要執(zhí)行飛行器的起飛、導(dǎo)航以及落地等操作，隨著時代的發(fā)展以及科技的進步，航空電子系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，可以執(zhí)行的操作趨于綜合化以及全面化[1]。航空電子系統(tǒng)的發(fā)展一共經(jīng)歷了四個階段。

2.1 分散式航空電子系統(tǒng)

二十世紀四五十年代，航空電子系統(tǒng)最初是一個分散式的系統(tǒng)，各種子系統(tǒng)的工作完全獨立進行，分別實現(xiàn)不同的功能，對于各種子系統(tǒng)信息的獲取、處理、顯示以及控制只能分別獨立進行操作，采用點對點的連接方式在設(shè)備之間通過電纜進行互連，設(shè)備的種類較多并且數(shù)量較多，因此造成連線復(fù)雜、線纜數(shù)量多且空間占用較大[2]。

2.2 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

二十世紀六七十年代，航空電子系統(tǒng)發(fā)展為一個聯(lián)合式的系統(tǒng)，提出了通過數(shù)據(jù)總線在各種子系統(tǒng)之間進行互連，通過數(shù)據(jù)總線進行綜合顯示以及控制，實現(xiàn)了信息共享，總的來說綜合化程度較低，綜合顯示以及控制雖然實現(xiàn)了，但是各種子系統(tǒng)的功能依然是獨立的，信號的綜合并沒有實現(xiàn)，總線數(shù)據(jù)傳輸帶寬也是有限的。

2.3 綜合式航空電子系統(tǒng)

二十世紀八九十年代，航空電子系統(tǒng)發(fā)展為一個綜合式的系統(tǒng)，“模塊”的概念在這一階段被提出，通過通用綜合處理模塊實現(xiàn)任務(wù)管理以及信息處理，系統(tǒng)的可靠性和總線數(shù)據(jù)的傳輸速率得到了一定的提高，但是信號的全面綜合仍然沒有實現(xiàn)。

2.4 先進綜合式航空電子系統(tǒng)

2000年以后，航空電子系統(tǒng)發(fā)展為一個先進綜合式的系統(tǒng)，在這一階段，要求實現(xiàn)信號的綜合，需處理數(shù)據(jù)量的劇增以及需傳輸多種不同類型的數(shù)據(jù)從而要求總線技術(shù)具有高帶寬和低延遲，采用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，使各種設(shè)備以及各種子系統(tǒng)進行互連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，簡化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)各方面的性能都得到了提高，實現(xiàn)了更高程度的綜合[3]。

3 典型的航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)

航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)，其實就是一種具有實時性能的網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，通過數(shù)據(jù)總線將航空設(shè)備與各種子系統(tǒng)以及各種模塊互相連接起來形成一個完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享[4]。航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)在航空領(lǐng)域已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)延伸到艦船、坦克、飛船、汽車等多種領(lǐng)域。

3.1 MIL-STD-1553B總線技術(shù)

MIL-STD-1553B的全稱為飛機內(nèi)部時分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。在美國軍方和工業(yè)界的大力支持下，美國多路復(fù)用技術(shù)航空委員會經(jīng)過研究于1973年推出了MIL-STD-1553標準，經(jīng)過改進于1975年推出了MIL-STD-1553A標準，后續(xù)經(jīng)過進一步完善于1978年推出了MIL-STD-1553B標準[5]。于1997年，參照MIL-STD-1553B，我國制定了與之相對應(yīng)的GJB289A-97?？偩€傳輸系統(tǒng)由終端和線纜兩部分組成，終端之間通過線纜進行數(shù)據(jù)傳輸，終端由總線控制器、遠程終端、總線監(jiān)視器三部分組成，終端最多可以掛接32個?？偩€傳輸速率可以達到1Mb/s?？偩€按指令/響應(yīng)的方式進行操作，這種結(jié)構(gòu)要求由總線控制器對整個總線系統(tǒng)進行集中的控制管理，系統(tǒng)中的其他終端在得到指令之后，才允許做出相對應(yīng)的響應(yīng)，這種操作方式將會避免總線上碰撞的發(fā)生?？偩€以半雙工的方式進行傳輸，調(diào)制方式為脈沖編碼調(diào)制，應(yīng)采用曼徹斯特Ⅱ型雙相電平碼。采用雙冗余的總線型拓撲結(jié)構(gòu)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，第一條總線用于傳輸數(shù)據(jù)，當?shù)谝粭l總線出現(xiàn)故障的時候，處于熱備份的第二條總線就會進入工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)正常工作。在軍事以及工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，尤其是在戰(zhàn)斗機、轟炸機系統(tǒng)中。但其也存在一定的缺陷，總線控制器的集中控制將會給整個總線傳輸系統(tǒng)帶來潛在的單點故障問題，總線帶寬的有限將無法滿足對于高速數(shù)據(jù)的傳輸以及大數(shù)據(jù)量的傳輸，這在一定程度上制約著航空電子系統(tǒng)整體性能的提升。

3.2 ARINC429總線技術(shù)

ARINC429的全稱為數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)。于1977年，ARINC429由美國航空電子工程委員會提出繼而發(fā)表并最終獲得批準投入使用。于1986年，參照ARINC429，我國制定了與之相對應(yīng)的HB6096-SZ-01。在總線傳輸系統(tǒng)中總線結(jié)構(gòu)比較簡單，一共包括兩種傳輸設(shè)備，分別為發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備，以單向的傳輸方式進行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)流只可以從發(fā)送設(shè)備向接收設(shè)備傳遞，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，發(fā)送設(shè)備只可有一個，接收設(shè)備可有多個，但其在數(shù)量上最多不可超過20個[6]。數(shù)據(jù)流是不能返回到發(fā)送設(shè)備之中的，如果總線傳輸系統(tǒng)中需要在兩個設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)流的雙向傳輸，可以通過在每個方向上分別使用獨立的總線來實現(xiàn)傳輸?？偩€采用的是非集中的控制方式，不存在總線控制器這一設(shè)備，不會使系統(tǒng)存在單點故障這一問題，使總線上的信息得以有序傳輸并且不會相碰。總線傳輸速率有低速和高速兩種速率之分，系統(tǒng)在低速狀態(tài)下工作時，速率可以達到12～14.5Kb/s，常用于傳輸一些比較重要的數(shù)據(jù)和信息;系統(tǒng)在高速狀態(tài)下工作時，速率可以達到100Kb/s，常用于傳輸一些重要性一般的數(shù)據(jù)和信息。在民航客機領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。其存在的缺陷是總線傳輸速率有限，單向的傳輸方式雖然使數(shù)據(jù)傳輸具有了一定的可靠性，但是一旦傳輸設(shè)備數(shù)量增加會使線纜的數(shù)量、重量、長度以及占用空間也隨之大大增加，制約著航空電子系統(tǒng)的高效性和簡約性的提升。

3.3 FC總線技術(shù)

FC的全稱為光纖通道。于1988年，F(xiàn)C由美國國家標準委員會開始制定。FC將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通道技術(shù)相結(jié)合，是一種應(yīng)用于計算機以及I/O設(shè)備之間通信的高速串行通信標準。光纖通道與網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)互連模型相類似，采用了分層的結(jié)構(gòu)將協(xié)議分為五個層，分別為物理鏈路層、編碼/解碼層、鏈路控制層、公共服務(wù)層和映射協(xié)議層，每個層實現(xiàn)不同的功能，相互獨立[7]。拓撲結(jié)構(gòu)非常靈活，點到點型、交換式型以及仲裁環(huán)型是FC標準定義的三種基本拓撲結(jié)構(gòu)，并且通過這些結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建出其他復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如含有環(huán)的交換網(wǎng)絡(luò)、基于電路交換的環(huán)等結(jié)構(gòu)，從而可以滿足不同系統(tǒng)的需求。在數(shù)據(jù)通信的過程中可以很好地實現(xiàn)單工、半雙工和全雙工三種通信方式。支持遠距離高帶寬傳輸，數(shù)據(jù)傳輸距離最長可以達到10Km，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到1Gb/s以上。光纖通道其實是一個通信協(xié)議族，包含大量且復(fù)雜的標準文檔，F(xiàn)C-AE和FC-AV兩大協(xié)議在航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用較多。FC具有遠距離、高帶寬、高可靠性、拓撲結(jié)構(gòu)靈活等特點，對于各種沒有壓縮處理的數(shù)據(jù)、音頻、視頻等可以進行高效傳輸，可以滿足現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.4 TTE總線技術(shù)

TTE的全稱為時間觸發(fā)以太網(wǎng)。TTE由奧地利TTTech公司提出并制定。TTE其實就是在普通以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)一種時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。普通以太網(wǎng)采用的觸發(fā)機制為事件觸發(fā)，控制信號來自于某一事件的發(fā)生，時間是不可預(yù)知的，事件發(fā)生是不確定的，多任務(wù)的進行有可能會造成資源訪問的沖突，優(yōu)先級高的任務(wù)會被優(yōu)先得到保障，優(yōu)先級低的任務(wù)得不到保障，沖突的發(fā)生會造成延遲以及抖動的產(chǎn)生，從而系統(tǒng)的確定性、可靠性以及實時性在一定程度上降低了。基于時間觸發(fā)機制的網(wǎng)絡(luò)，通過時間進程驅(qū)動通信過程，觸發(fā)因素穩(wěn)定，系統(tǒng)行為確定，各個結(jié)點在相應(yīng)的時間槽完成相應(yīng)的操作，各個結(jié)點之間不會發(fā)生沖突，通信延遲以及時間偏移的確定性得到比較好的保證，從而使網(wǎng)絡(luò)具有確定性、可靠性以及實時性等特點[8]。拓撲結(jié)構(gòu)采用星型拓撲，總線網(wǎng)絡(luò)是基于交換機進行互連的，整個總線網(wǎng)絡(luò)至少包含一個交換機以及多個端系統(tǒng)。在同一個網(wǎng)絡(luò)平臺上，可以兼容三種不同類型的數(shù)據(jù)流：普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流、AFDX數(shù)據(jù)流以及TTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流。傳輸速率可以達到1000Mb/s，目前也在研究開發(fā)更高傳輸速率的總線網(wǎng)絡(luò)。TTE在確定性、可靠性、實時性、兼容性等方面占據(jù)了很大的優(yōu)勢，在大中型飛機的綜合化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，并且在汽車網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域也得到了比較廣泛的應(yīng)用。

4 總結(jié)

航空電子系統(tǒng)在可靠性、實時性、擴展性、安全性以及傳輸速率等方面有嚴格的要求，在選擇和使用航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)時，必須結(jié)合航空電子系統(tǒng)相關(guān)的要求以及具體的需求進行合理的選擇。MIL-STD-1553B和ARINC429兩種總線技術(shù)傳輸速率有限，在可靠性以及穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸要求不高的環(huán)境中，但對于現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)而言，不能完全滿足其發(fā)展的需求。FC和TTE是兩種新型的航空電子數(shù)據(jù)總線技術(shù)，各個方面性能都得到了提升，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性以及實時性，可以滿足現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的需求，將成為目前以及未來的主流技術(shù)，具有很大的研究意義和廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

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