航空電子數(shù)據(jù)總線技術研究

摘 要:對目前國內外運用較多的航空數(shù)據(jù)總線技術進行簡要的介紹，根據(jù)實際使用情況分析了MIL_STD_1553B和ARINC429等總線技術的特點、存在的問題和缺陷。在此基礎上描述了為適應新的通信需要逐步發(fā)展出來的新型總線技術，包括MIL_STD_1773，STANAG 3910，Arinc629，光纖通道FC等內容;由于FC技術具備高速率的數(shù)據(jù)傳輸特性，高可靠性通信、擴展余度大等特點，非常適合航空數(shù)據(jù)通信的發(fā)展要求。

關鍵詞: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:TN911 文獻標識碼:A

文章編號: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

伴隨計算機在航空電子系統(tǒng)中的廣泛應用，總線技術應運而生。總線技術的出現(xiàn)是從系統(tǒng)工程的角度統(tǒng)籌設計航空電子系統(tǒng)的結果，目的是通過多路傳輸總線將機上各計算機構成分布式信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息的有效傳輸、共享，實現(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，總線技術已成為現(xiàn)代飛機的基本特點。具有代表性的總線標準包括MIL_STD_1553B和ARINC429等總線標準，在F-16，B-52，F(xiàn)-22，A310，B-747等飛機上廣泛使用。隨著電子技術的進一步發(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標準，美國F-22和F-35已開始使用光纖高速數(shù)據(jù)總線。本文對目前國內外使用較多的數(shù)據(jù)總線進行描述和優(yōu)缺點分析;同時，介紹現(xiàn)階段研究較熱的部分高速總線技術。

1 MIL_STD_1553B

MIL_STD_1553B總線全稱為飛行器內部時分命令/響應式多路數(shù)據(jù)總線[1]，它是由美國自動化工程師協(xié)會在軍方和工業(yè)界的支持下，正式公布于1978年，1986年~1993年進行了修改和補充。我國與之對應的標準是GJB289A-97。該總線采用冗余的總線型拓撲結構，傳輸數(shù)據(jù)率可達1 Mb/s ，典型的1553總線結構如圖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)控制和標準化接口。該總線技術首先運用于美國空軍F-16戰(zhàn)斗機。在過去的30年中，MIL _STD_1553B 已成功地應用于多種戰(zhàn)機，并且成功應用于其他控制領域，如導彈控制、艦船控制等。

2 ARINC429

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

圖1 典型的1553總線結構

雖然MIL-STD-1553B總線和ARINC429總線在目前應用廣泛，但在應用中兩種總線都暴露出不同程度的缺點。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，而且其最大的缺點是整個總線由集中的總線控制器來控制，整個總線系統(tǒng)的通信是在總線控制器的指揮下進行的，這給總線帶來潛在的單點故障，影響可靠性，一旦總線控制器失效，將造成整個總線系統(tǒng)的癱瘓[2]。而ARINC429總線盡管舍棄了總線控制器，但其代價是為了使總線上信息有序傳輸而不相碰，只能1個信息源用1條429總線，這在航空電子設備激增的情形下是不允許的。當然，ARINC429總線還有其他突出的缺點，如帶寬有限，技術陳舊落后，接口不能適應新的微處理機，異步回路，因而導致數(shù)據(jù)傳輸有延遲;當航空電子系統(tǒng)的綜合規(guī)模增大時，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，在這兩種總線的使用過程中逐漸發(fā)展出進一步的替代標準MIL_STD_1773，STANAG 3910和ARINC629標準。

3 MIL_STD_1773

1988年，美國國防部發(fā)布了新的軍用標準即MIL_STD_1773，這個標準主要是對MIL_STD_1553在傳輸介質上的一個改進，其利用光纖傳輸介質來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90年代已被美國國家航空和宇宙航行局(NASA)和海軍(NAVY)所使用，其中， F -18戰(zhàn)斗機就使用這一標準。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標準的雙速率的收發(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90年代初，北約(NATO)在研制歐洲新一代戰(zhàn)機時，提出了一種新的數(shù)據(jù)總線歐洲標準——STANAG3910，這種標準主要是用來改進機載數(shù)據(jù)總線的傳輸速率，以適應新一代戰(zhàn)機的發(fā)展要求。STANAG3910也是一種指令/響應協(xié)議，采用雙速率傳輸總線結構。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MIL_STD_1553B系統(tǒng)進行升級改進，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。使用STANAG3910 可以非常有效地對現(xiàn)有MIL_STD_1553B系統(tǒng)進行升級，以提供高傳輸速率來滿足未來戰(zhàn)機的發(fā)展需要。這樣就可以提高MIL_STD_1553B系統(tǒng)的使用壽命，在新一代戰(zhàn)機所要求的高速數(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)上取得較好的結合點[5]。事實上，歐洲2個軍用戰(zhàn)機項目均使用了該總線技術，如:英國、德國、意大利、西班牙聯(lián)合開發(fā)的歐洲戰(zhàn)斗機(EFA)以及法國單獨研制的RAFALE戰(zhàn)斗機。

5 ARINC629

ARINC629總線是波音公司為民用機開發(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，線性拓撲結構，符合Hans準則;從工作流程圖(見圖2)可以看出，任一終端能否占用總線，取決于2個因素:終端狀態(tài)和總線狀態(tài)。右邊支路描述終端狀態(tài)，當終端1次發(fā)送數(shù)據(jù)，則啟動TI計數(shù)器，一直到TI計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SG和TG未計滿時，總線上出現(xiàn)信號(別的終端在發(fā)送)則將這兩個計數(shù)器復位并重新計數(shù)，當SG和TG計滿時，若總線上出現(xiàn)信號，則SG不復位，而TG必須復位。當這兩條支路同時滿足條件時，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、連接簡單、“插入式”兼容等特點，因而在波音-777上得到了廣泛的應用，成為機上信號處理、航空電子系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛機構架系統(tǒng)及自動駕駛儀通信的基礎。

圖2 ARINC629數(shù)據(jù)總線工作流程

MIL-STD-1773，STANAG3910，ARINC629等總線技術的出現(xiàn)在一定程度上緩解了軍(民)用飛機對通信的需要;但隨著技術的進步，新一代航空電子系統(tǒng)中開始要求大信息量的視頻、聲音、實時數(shù)據(jù)在設備間的傳輸，同時伴隨著航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的快速提高(比上一代提高了2~3個數(shù)量級)，為了解決數(shù)據(jù)的實時傳輸和與系統(tǒng)處理速度的匹配問題，則要求數(shù)據(jù)總線的通信速率相對三代機至少提高1000倍達到千兆比特的傳輸速率。因此上述的機載通信協(xié)議已遠遠不能滿足新型飛機的數(shù)據(jù)傳輸要求。比如，美軍的F-22戰(zhàn)機就采用了數(shù)據(jù)率為400 Mb/s的點對點光纖鏈路實現(xiàn)傳感器到通用綜合處理機(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)絡傳輸來自駕駛員夜視系統(tǒng)、目標搜索系統(tǒng)和毫米波雷達的數(shù)據(jù)。為了滿足上述要求，就需要制定新的航空數(shù)據(jù)總線標準(如新型光纖通道技術)來取代以上標準。

6 新型光纖通道技術

光纖通道FC(fiber channel)技術是美國國家標準委員ANSI于1998年開始制定的數(shù)據(jù)通信標準，是將計算機通道技術和網(wǎng)絡技術有機結合起來，具有全新概念的通信機制[6]。2005年開始小部分成熟的ANSI標準被ISO/IEC組織采納作為國際標準，光纖通道標準共分5層:介質接口層、傳輸協(xié)議層、幀協(xié)議層、綜合服務層和高層服務層。其傳輸速率可達數(shù)吉比特每秒，可有效地支持無壓縮數(shù)字視頻信號的傳輸，滿足未來戰(zhàn)機的發(fā)展需求，如F-16， F-15只需要581 Mb/s的傳輸速 率。光纖通道的拓撲結構靈活多樣，按網(wǎng)絡功能和帶寬的不同要求構成點對點型、交換網(wǎng)型、仲裁環(huán)型等結構。光纖通道技術受到國外尤其是美國軍方的重視，美國軍方專門成立了FC -AE ( fiber channel for avionics environment)小組，制定了航空電子版光纖通道( FC -AE)標準。美國F-35飛機在研制中，光纖通道技術已成為高速網(wǎng)絡構建的基礎。由于光纖通道網(wǎng)絡在提供高速率傳輸?shù)耐瑫r，還能夠保證信號傳輸?shù)馁|量，這就使得它非常適合新一代飛機使用。

7 結 語

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

為解決這些問題，為新一代飛機的發(fā)展提供先進的數(shù)據(jù)總線技術，必須使用新型的數(shù)據(jù)總線技術。通過以上對數(shù)據(jù)總線技術發(fā)展的簡要分析， FC技術由于具備的高速率的數(shù)據(jù)傳輸特性、高可靠性通信、擴展余度大等特點，非常適合航空數(shù)據(jù)通信的發(fā)展要求，應該成為我國航空用數(shù)據(jù)總線的研究和關注焦點。

參考文獻

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[5]BROWN D R. Issues concerning the implementation of high speed optical data bus systems[C]//Proc.IEE Colloquium on Future Military Avionic Architectures. London: [ s.n.] ，1990:1-3.

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