航空數據總線技術分析研究

唐寧+常青

摘 要： 數據總線作為航空電子系統的“骨架”和“神經”，與航空電子技術的發展同步進行，相互促進，對航空電子系統起著至關重要的作用。主要概述航空機載數據總線及其發展現狀，介紹目前幾種典型的機載數據總線技術，分析傳輸協議、拓撲結構、技術特點及應用現狀，并進行比較，論述了可變規模互連接口（SCI）和光纖通道技術在未來航空領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： 機載航空電子設備； 數據總線； SCI總線； FC總線

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0064?06

Study on avionic data bus technology

TANG Ning， CHANG Qing

（National Key Laboratory of ATR， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： As the “framework” and “nerve” of aviation electronic systems， the airborne data bus plays an important role， develops with aviation electronic technique simultaneously， and promotes each other as well. Several typical airborne data bus techniques and their development actualities at present are summarized in this paper. Their transmission protocols， topology structures， technique characteristics and application actualities are analyzed and compared. The expansive application foreground of SCI （scalable coherent interface） and FC （fiber channel） technology in the aviation domain is discussed.

Keywords： airborne avionics； data bus； SCI bus； FC bus

0 引 言

隨著航空電子系統的發展，各類飛行器搭載了越來越多的觀測儀器和電子設備，這些儀器和設備之間的數據交換、信息共享和綜合處理的數據總量也在迅猛增長，對航空電子數據總線提出更高層次的要求。許多發達國家投入了大量的研究，用來開發新一代航空航天數據總線技術，并在相關領域取得了較大的進展。國內在20世紀80年代起，對國際最新數據總線技術及時跟進，制定了高速數據總線的技術規范，取得了一些重要成果，但總線技術應用水平與美國、日本等發達國家相比，差距仍十分明顯。本文概述航空機載數據總線的發展和研究現狀，闡述幾種典型的數據總線技術，對傳輸協議、拓撲結構、主要技術特點、應用現狀進行較詳細探討，并對其進行比較。

1 機載數據總線的概述

機載數據總線技術是用于機載設備、子系統直至模塊之間的互連技術，從計算機網絡觀點來看，航空電子設備相當于一臺微機，它們以機載數據總線為紐帶，互連成網絡系統，完成數據信息的傳輸任務。目前其應用領域已經擴展到艦船、衛星、導彈和坦克等各種機動平臺上，在本質上，它是一種實時網絡互連技術[1]。

機載數據總線技術源于航空電子綜合系統的發展[7]，美軍航空電子系統經歷了先前的四個階段：第一代分離式航空電子系統，導航、雷達等系統工作完全獨立，初期的系統在處理任務中甚至依賴飛行員判斷；第二代聯合式航空電子系統，各個子系統各個功能相互獨立，不同設備間較少有數據交互；在第三代綜合式航空電子系統中，提出了“模塊”概念，利用計算機構成信息處理模塊，從而取代子系統，系統具有良好的可擴展性，功能比較豐富能夠處理復雜的任務；目前正過渡到第四代“先進綜合式”的研究階段，采用“統一網絡”實現子系統、模塊乃至處理芯片之間的互聯，具有高速、可擴展性、低延遲和可容錯的特點。

2 典型的機載數據總線

目前已投入使用及研究中的民用的典型機載數據總線有：ARINC?429/629，CSDB，STAN?AG?3838/3910，LTPB，FDDI，AFDX等。

軍用典型機載數據總線有：MIL?STD?1553B，1773，SCI和FC等。

2.1 ARINC?429

ARINC?429總線協議是美國航空電子工程委員會（Airlines Engineering Committee）制定的一種串口標準，規定了航空電子設備與有關系統間的數字信息傳輸要求[3]。

ARINC?429是點對點式的傳輸協議，總線上至多可以有20個接收設備，如圖 1所示。一般情況下，總線長度為53 m以下。

圖1 ARINC?429總線數據傳輸結構圖

ARINC?429總線系統拓撲結構主要有星型和總線型兩種，如圖 2所示。

圖2 ARINC?429數據總線拓撲結構

ARINC?429主要特點是：

（1） 傳輸方式：單向方式，信息只能從通信設備的發送口輸出，經傳輸總線傳至與它相連的需要該信息的其他設備的接口。

（2） 驅動能力：每條總線上可以連接不超過20個接收器。

（3） 調制方式：采用BNR碼，調制信號由“高”、“零”和“低”三電平狀態。

（4） 傳輸速率：分高低兩檔，高速為100 Kb/s，低速在12～14.5 Kb/s范圍內。

（5） 同步方式：傳輸的基本單位是字，每個字由32位組成。

ARINC?429總線結構簡單，性能穩定，采用非集中控制、傳輸可靠、錯誤隔離性好，缺點表現為帶寬有限，接口不能適應新的微處理器，異步回路有較大的延遲等。ARINC?429廣泛應用在民航客機、兵器領域的科研院所和生產單位中，如B?737、B?757、B?767，發展到下一代替代標準有ARINC?629/664和STAN?AG?3838/3910。

2.2 線性令牌傳遞數據總線

近幾年來，光纖數據總線技術成為了機載數據總線研究的熱點之一，其中最具代表性的是光纖數據總線線性令牌傳遞總線（LTPB）。LTPB光纖網絡的拓撲結構為星型結構，網絡節點通過星型耦合器連接起來。如圖3所示。

圖3 LTPB星形冗余結構

LTPB主要特點有：

（1） 傳輸方式：采用一個限時令牌多優先級傳輸協議，網絡上的節點共享一條廣播式傳輸介質，當LTPB工作時，網絡上的節點根據它們的物理地址、編碼的大小組成邏輯環路，令牌沿邏輯環路逐節點傳輸。

（2） 調制方式：采用曼徹斯特Ⅱ型碼。

（3） 傳輸速率：20 Mb/s。

（4） 同步方式：冗余方式可以有同步和異步之分，同步方式指系統中冗余的部件和介質同時工作，接收端按一定的原則取得有效數據；異步方式指系統正常工作時僅有一個通道工作，如發現錯誤，則切換到備份通道上傳輸。

LTPB總線技術廣泛的使用在美國戰機上，如海A?12、空YF?22和YF?23戰機，在第4代F?22“猛禽”戰斗機也采用該總線技術，已被確認在美國下一代軍用機上的航空電子局域網上使用。

2.3 光纖分布式數據接口

光纖分布式數據接口（Fibre Distributed Data Interface，FDDI）是由美國國家標準化組織（ANSI）制定的在光纜上發送數字信號的一組協議，標準號為ANSI?X3.229。ISO和IEEE分別將FDDI技術接納為國際標準。FDDI協議基于令牌環協議，如圖 4可以看出，FDDI將OSI模型的物理層和數據鏈路層分成兩個子層。

物理層包括成兩個子層：PHY子層規定了傳輸編碼和譯碼、時鐘要求及符號集合；媒體相關層PMD規定了光纖媒體應具備的條件及連接器等。

圖4 FFDI分層結構

數據鏈路層包括兩個子層：媒體訪問控制（MAC）規定FDDI定時令牌協議所需要的幀格式、尋址和令牌處理；邏輯鏈路控制（LLC）為用戶提供了交換數據的方法。

站管理（SMT）標準定義如何對物理媒體相關層、物理層協議層和媒體訪問控制部分進行控制和管理。

FDDI拓撲結構使用雙環令牌，由主環和備用環組成，在正常情況下，主環用于數據傳輸，備用閑置，因而具有較強的容錯能量，FDDI拓撲結構如圖 5所示。

圖5 FDDI拓撲結構

FDDI主要特點有：

（1） 傳輸方式：采用令牌訪問控制協議。

（2） 調制方式：采用BNR碼。

（3） 傳輸速率：達到100 Mb/s，最多可連接500個節點，節點間最大距離2 km，消息最大長度2 250個字。

（4） 同步方式：同步和異步信息兩種類型。同步信息指由延遲時間限制的控制、顯示、遙測、話音等周期信息，強調信息的實時性。異步信息指沒有延遲時間限制的網絡管理、交互任務、大數據塊消息等非周期信息。

FFDI技術不僅可靠、可行，而且能大大提升通信能力，大量應用于商業，軍事和工業領域，美國三軍聯合航空電子系統工作小組（JIAWG）根據研究結果制定了AS?4074.2，美國海軍新一代資源（NGCR）計劃、波音777飛機、“自由號”空間站、“華盛頓”核動力航空母艦、DDG?S1和宙斯盾（AEGIS）導彈驅逐艦上都用該總線技術。

2.4 MIL?STD?1553B/1773

MIL?STD?1553B是1973年由美國軍方和政府推出的軍用標準多路數據傳輸總線協議，堪稱現代作戰飛機電子系統的“脊梁骨”，是為適應工業和軍事的需要而提出，具有很高的可靠性和靈活性。其核心在于“標準”二字，使得機載雷達光電探測、導航、傳感、控制綜合聯結，構成第三代戰斗機標志性的分布式集中控制系統。

1553B采用命令/響應式傳輸協議，其典型的拓撲結構如圖6所示。

圖6 1553B總線拓撲結構

MIL?STD?1553B主要特點有：

（1） 傳輸方式：半雙工傳輸方式。

（2） 驅動能力：可掛接的32個終端按其作用分為：總線控制器BC、總線監控器BM、遠程終端RT。各終端之間信息傳輸方式有：BC到RT，RT和BC，RT到RT，廣播方式和系統控制方式。

（3） 調制方式：曼徹斯特Ⅱ型碼。

（4） 傳輸速率：1 Mb/s。

（5） 同步方式：總線上的信息流由3種類型的字消息組成：命令字、數據字和狀態字。字長為20位，前三位為3個位長的同步字頭，中間有效信息位是16位，最后1個奇偶校驗位。

1553B從20世紀70年代至今廣泛用于軍事、工業和科技領域，美大型運輸艦、空間補給站、轟炸機、戰斗機F?16A、導彈、直升機及飛機器和導彈之間都使用過該總線技術。我國的“神舟”飛船和“實踐5號”小衛星上也采用這種總線技術。

1553B的缺點是總線帶寬不足、容錯能力有限、維修復雜[4]。在1988年美國軍方制定的軍用標準MIL?STD?1773是美軍航空電子綜合系統的標準總線，是對1553B標準在傳輸介質上的改進[5]，即利用光纖來取代傳統雙絞線或電纜，具有1 Mb/s和20 Mb/s兩種速率，高層協議與1553B相同。其優異的性能已被美國國家航空航天局（NASA）和海軍使用，其中F18戰斗機也是使用該標準，有“一網蓋三軍”之稱，國內也有相應的技術跟進，制定了國軍標“GJB289A”和“GJB2663”標準，并已應用于國產先進戰斗機中。

2.5 可變規模互連接口

可變規模互連接口（Scalable Coherent Interface，SCI）也稱可擴展一致性接口，是一種可以提供千兆位互連帶寬和微秒級傳輸延遲的高性能系統互連技術，于1992年正式被稱為IEEE標準[6]。

SCI基本協議包括三個層次：物理層、邏輯層和緩存一致層（可選）。

圖7 SCI總線協議

物理層對SCI的數據鏈路規范，鏈接方式即網絡接口等作規定；邏輯層主要規定SCI的數據包格式，并描述事務協議，詳細的邏輯協議由C代碼表述；緩存一致層主要是針對并行計算機的貢獻存儲器模型提出的，該部分在SCI基本協議的正式標準中是可選部分。

SCI拓撲結構如圖 8所示，SCI主要規定了兩種互連鏈路標準：18?DE?500和1?FO?1250。

圖8 SCI的基本環形拓撲和接口模型

SCI主要特點有：

（1） 傳輸方式：18?DE?500并行鏈路采用電介質，差分信號傳輸；1?FO?1250串行鏈路采用光纖介質，主要使用于長距離的互連。

（2） 驅動能力：SCI對接口規范做了規定，因此SCI可以支持靈活的拓撲形式，并可互連各種總線的橋。

（3） 傳輸速率：串行通信通常采用光纖介質，帶寬可達1.25 Gb/s；而并行通信通常采用電介質，單個信號線提供的帶寬為500 Mb/s，高性能多計算機互連時，帶寬可達8 Gb/s。

（4） 同步方式：并行通信下，SCI鏈路為18位寬，其中1位為時鐘位，1位為標志位和16位數據位，這18位信息稱為一個符號。

SCI因其接口靈活，應用廣泛。目前是大部分第三代航電系統使用的數據總線類型，也已經被美國選定為第四代航空數據總線的候選者之一。

2.6 光纖通道

光纖通道（Fiber Channel，FC）是美國國家標準委員會ANSI于1998年開始制定的數據通信標準，它是關于計算機之間以及I/O設備之間的一種開放式高速據通信標準，部分已成熟的ANSI標準于2005年被ISO/IEC組織采納為國際標準。它定義了多種硬件系統之間大量數據交換的通信接口，是一個包含幾十個標準文件的龐大的協議簇[7]。

光纖通道按照協議層之間技術相互獨立，留有增長空間，并且由具有資質的標準化機構進行開發，其分層結構如圖9所示。

圖9 光纖通道通信協議結構

FC?0物理鏈路層定義了光纖通道的物理介質，連接規定了協議提供的傳輸速率。

FC?1編碼/解碼層定義了傳輸協議，包括串行編碼和解碼規則以及差錯控制。

FC?2鏈路控制層規定了數據傳輸的主要規則和機制，提供了數據塊從一個端口傳輸到下一個端口的傳輸機制、通訊模型、拓撲結構、通用交換網模型、以及幀格式、幀序列、通信協議和服務分類等。

FC?3公共服務層對物理和信號層以上的高層協議提供了一套通用的公共通信服務。

FC?4映射協議層是光纖通道協議結構的最高層，定義了光纖通道的應用接口，規定了多層上層協議到光纖通道的映射。

光纖通道三種拓撲結構如圖10所示。

光纖通道具主要技術特點：

（1） 傳輸速率：碼間傳輸為1.062 Gb/s，全雙工可達2.12 Gb/s，通過多通道可擴展至高達4.24 Gb/s。

（2） 驅動能力：支持點對點、令牌環、星型等多種拓撲結構，環路結構最多連接127個設備；星型拓撲最多可連接1 600個設備。

（3） 調制方式：采用8 b/10 b編碼。

（4） 能夠提供無確認的交付，適用于低開銷、大塊數據應用程序的數據傳輸.支持無錯封包傳輸，提供有保證的順次數據幀交付，適用于任務報文的交付。

（5） 光纖通道不包括本地的上層協議，而是定義各種傳輸層之間的協議映射和一系列光纖通道交換和系列。

圖10 光纖通道拓撲結構

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?AC小組，制定航空電子光纖通道FC?AE標準。目前，FC?AE協議的一部分FC?AE?1553協議于2004年4月制定完畢[8]，該協議定義MIL?STD?1553總線協議和FC高層協議之間的映射關系。光纖通道已在美轟炸機B1?B，U2上使用，在F?35飛機研制中，光纖通道技術已成為其高速網絡構建的基礎。

3 分析比較

通過對比上述數據總線的傳輸速率、單消息字節數，最大節點數，可以看出數據總線從早期的ARINC?429到SCI、光纖通道總線技術，總線的各項性能在逐步增強，主要表現在傳輸速率在極大的提高，達到Gb/s級的帶寬，單消息字節數逐步增加，最大節點個數更多，連接更趨靈活，可以搭載更多的終端，完成更多的數據傳輸業務。

數據總線總體朝著功能更強、體積更小、重量更輕、可靠性更高、維修更方便、成本更低的趨勢發展，數據總線技術在很大程度上提升飛機的性能，提高了飛機完成任務的能力。

典型機載數據總線各項指標的綜合對比見表1。

4 結 語

數據總線技術是現代先進飛行器操作系統和航空電子綜合化最重要的關鍵技術之一，數據總線決定航空電子系統綜合化程度的高低。

在數據總線的選擇和使用上，應綜合考慮其帶寬要求、可靠性、實時性、是否是國際標準、軍、商業化程度、性價比及抗惡劣環境等因素。目前ARINC429，1553B，1773雖然在穩定性和可靠性方面具有較大的優勢，但由于其數據速率只有10 Kb/s～20 Mb/s，已遠遠不能適應未來航空數據總線技術發展的需求，但仍可用于分布距離較短的機載、艦載環境以及對數據傳輸要求一般的環境。

在第三代綜合式航空電子系統時代，LTPB和FFDI作為高速數據總線傳輸方案，使得信息實現更高一層次的綜合。在第四代先進綜合式航空電子系統中，傳輸的數據也不僅僅只是命令與狀態控制信息，中間還有大量的探測及處理信息，要求具備Gb/s級的傳輸速率及μs級延遲，SCI、FC均能滿足要求，同時，經美國航空電子綜合產品專家組（IPT）對數據總線特性的綜合評定，已將SCI和FC納入為JSF（第五代聯合攻擊機項目）統一互連網絡的選擇方案，SCI和FC以高帶寬、低延遲的特性，在未來航空電子數據總線領域將具有很大的應用前景。

圖11 典型總線數據對比

參考文獻

[1] 支超有.機載數據總線技術及其應用[M].北京：國防工業出版社，2009.

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[9] 趙守疆，趙修斌，王漢民.一種大型導航裝備主控系統的通信設計[J].現代電子技術，2006，29（21）：60?61.

[10] 米耀輝，周堅鑫，周錫華，等.ARINC429總線在航空物探測量系統集成中的應用[J].現代電子技術，2013，36（7）：115?118.

[11] 崔海青，李宏，劉博，等.一種多通道ARINC429總線收發容錯方法的研究[J].現代電子技術，2013，36（6）：125?128.

3 分析比較

通過對比上述數據總線的傳輸速率、單消息字節數，最大節點數，可以看出數據總線從早期的ARINC?429到SCI、光纖通道總線技術，總線的各項性能在逐步增強，主要表現在傳輸速率在極大的提高，達到Gb/s級的帶寬，單消息字節數逐步增加，最大節點個數更多，連接更趨靈活，可以搭載更多的終端，完成更多的數據傳輸業務。

數據總線總體朝著功能更強、體積更小、重量更輕、可靠性更高、維修更方便、成本更低的趨勢發展，數據總線技術在很大程度上提升飛機的性能，提高了飛機完成任務的能力。

典型機載數據總線各項指標的綜合對比見表1。

4 結 語

數據總線技術是現代先進飛行器操作系統和航空電子綜合化最重要的關鍵技術之一，數據總線決定航空電子系統綜合化程度的高低。

在數據總線的選擇和使用上，應綜合考慮其帶寬要求、可靠性、實時性、是否是國際標準、軍、商業化程度、性價比及抗惡劣環境等因素。目前ARINC429，1553B，1773雖然在穩定性和可靠性方面具有較大的優勢，但由于其數據速率只有10 Kb/s～20 Mb/s，已遠遠不能適應未來航空數據總線技術發展的需求，但仍可用于分布距離較短的機載、艦載環境以及對數據傳輸要求一般的環境。

在第三代綜合式航空電子系統時代，LTPB和FFDI作為高速數據總線傳輸方案，使得信息實現更高一層次的綜合。在第四代先進綜合式航空電子系統中，傳輸的數據也不僅僅只是命令與狀態控制信息，中間還有大量的探測及處理信息，要求具備Gb/s級的傳輸速率及μs級延遲，SCI、FC均能滿足要求，同時，經美國航空電子綜合產品專家組（IPT）對數據總線特性的綜合評定，已將SCI和FC納入為JSF（第五代聯合攻擊機項目）統一互連網絡的選擇方案，SCI和FC以高帶寬、低延遲的特性，在未來航空電子數據總線領域將具有很大的應用前景。

圖11 典型總線數據對比

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[11] 崔海青，李宏，劉博，等.一種多通道ARINC429總線收發容錯方法的研究[J].現代電子技術，2013，36（6）：125?128.

3 分析比較

通過對比上述數據總線的傳輸速率、單消息字節數，最大節點數，可以看出數據總線從早期的ARINC?429到SCI、光纖通道總線技術，總線的各項性能在逐步增強，主要表現在傳輸速率在極大的提高，達到Gb/s級的帶寬，單消息字節數逐步增加，最大節點個數更多，連接更趨靈活，可以搭載更多的終端，完成更多的數據傳輸業務。

數據總線總體朝著功能更強、體積更小、重量更輕、可靠性更高、維修更方便、成本更低的趨勢發展，數據總線技術在很大程度上提升飛機的性能，提高了飛機完成任務的能力。

典型機載數據總線各項指標的綜合對比見表1。

4 結 語

數據總線技術是現代先進飛行器操作系統和航空電子綜合化最重要的關鍵技術之一，數據總線決定航空電子系統綜合化程度的高低。

在數據總線的選擇和使用上，應綜合考慮其帶寬要求、可靠性、實時性、是否是國際標準、軍、商業化程度、性價比及抗惡劣環境等因素。目前ARINC429，1553B，1773雖然在穩定性和可靠性方面具有較大的優勢，但由于其數據速率只有10 Kb/s～20 Mb/s，已遠遠不能適應未來航空數據總線技術發展的需求，但仍可用于分布距離較短的機載、艦載環境以及對數據傳輸要求一般的環境。

在第三代綜合式航空電子系統時代，LTPB和FFDI作為高速數據總線傳輸方案，使得信息實現更高一層次的綜合。在第四代先進綜合式航空電子系統中，傳輸的數據也不僅僅只是命令與狀態控制信息，中間還有大量的探測及處理信息，要求具備Gb/s級的傳輸速率及μs級延遲，SCI、FC均能滿足要求，同時，經美國航空電子綜合產品專家組（IPT）對數據總線特性的綜合評定，已將SCI和FC納入為JSF（第五代聯合攻擊機項目）統一互連網絡的選擇方案，SCI和FC以高帶寬、低延遲的特性，在未來航空電子數據總線領域將具有很大的應用前景。

圖11 典型總線數據對比

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