AFDX與1553B機載數據總線對比分析研究

孟 軍，江 濤，周 龍，樊 偉，陳 英

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

機載數據總線技術是指機載設備、子系統直至模塊之間的互連技術。總線技術本質上是一種實時網絡互連技術。總線技術的出現是從系統工程的角度統籌設計航空電子系統的結果，目的是通過數據總線將飛機上各計算機構成信息網絡，實現信息的有效傳輸、共享，實現座艙的綜合顯示和控制，從而形成綜合化的航空電子系統。

機載數據總線作為航空電子系統的“骨架”和“神經”，對航空電子系統起著至關重要的作用，與航空電子技術的發展同步進行，相互促進。因此，數據總線技術在很大程度上提高了飛機的性能，而且也擴大和提高了飛機完成任務的能力[1]，是航空電子技術領域研究的熱點[2-6]。

本文闡述了航空機載數據總線兩種典型代表——1553B總線與AFDX總線，并不是從協議、技術特點及應用現狀進行泛泛的對比，而是對兩者的信息傳輸方式、網絡結構、網絡設計要點進行詳細討論，并從工程實踐的具體實施角度對其進行比較，特別是和航電系統的接口控制文件、總線表/配置表的設計相結合，以期對航電系統頂層設計提供一些借鑒和啟示。

1 兩種數據總線介紹

1.1 1553B

1553B總線由美國自動化工程師協會于1978年發布，全稱為飛機內部時分制指令/響應型多路傳輸數據總線，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，傳輸數據率為1Mb/s。該總線技術首先被應用于美國空軍F-16戰斗機，在過去的近40年中，它被成功應用于多種戰機以及導彈控制、艦船控制等領域。1553B總線網絡的基本結構如圖1所示，由終端和屏蔽雙絞線組成。

圖1中，總線控制器（BC）控制總線操作，且通過數據總線與最多30個遠程終端（RT）通信。

圖1 1553B總線網絡典型結構圖

1553B主要特點有：

1）網絡的消息傳輸由BC的總線表統一控制，嚴格定義了全網絡中每條消息的長度，以及發送和接收的順序、過程；

2）傳輸方式為半雙工方式，一個終端不能實現同時接收與發送數據；

3）總線可掛接32個終端，各終端之間信息傳輸方式有：BC到RT，RT到BC，RT到RT，廣播方式和系統控制方式；

4）總線上的信息流由3種類型的字消息組成：命令字、數據字（最長為32字節）和狀態字，并有同步位和校驗位；

5）采用雙冗余工作方式，第二條屬于備份，即當前路徑不通才啟用第二條；

6）傳輸速率為1 Mb/s；

1.2 AFDX

AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet航空電子全雙工交換式以太網)是空客公司在商用交換以太網的基礎上建立起來的。空客公司根據航空電子的需求，在實時性、可靠性等方面進行了改進，從而形成了旨在航空子系統之間數據交換而定義的一種電子特殊協議標準(ARINC664 Part7)[6]。AFDX網絡為星型拓撲結構，總線網絡的基本結構如圖2所示，主要由端系統(end-system)、AFDX交換機(switch)以及傳輸鏈路（邏輯上的虛擬鏈路，消息傳輸的載體）組成。

AFDX的主要特點如下：

圖2 AFDX總線網絡結構圖

1）網絡的消息傳輸參數由交換機中的配置表定義，配置表在啟動時裝入交換機中，即消息的路由是靜態分布的，消息的傳輸由各端系統自由獨立發起；

2）物理層的連接介質是兩個雙絞線對，一對用于發送，一對用于接收，從而實現全雙工通信；

3）網絡連接采用星型拓撲結構，每個交換機最多連接24個終端節點，交換機可以級聯以實現更大規模的網絡；

4）AFDX的虛擬鏈路都有帶寬分配間隔和最大的幀長度（最多支持1471字節），傳輸過程中引起的抖動有一定的范圍限制，網絡的最大傳輸延遲都可以得到控制，從而保證了傳輸的確定性；

5）AFDX網絡引入了余度的概念，數據幀可以同時在兩條獨立的路徑上傳輸，接收端系統只接收先到達的有效幀，這就顯著提升了系統的可靠性；

6）帶寬高，網絡傳輸速率可選擇10 Mb/s或者100 Mb/s，缺省為 100 Mb/s。

2 分析比較

2.1 消息傳輸與控制

數據總線的功能就是在航電系統的設備/模塊之間傳輸消息，該功能的完成需要總線的協議和航電系統各設備/模塊之間的接口控制文件來共同支撐。協議只是定義了傳輸的規則，根據功能定義的接口控制文件則包含了傳輸消息內容。

1553B總線是一個指令-響應系統，在這種系統中，消息傳輸總是在總線控制器的控制下進行。設計人員根據接口控制文件的消息內容和屬性，編制總線表，總線表里嚴格定義了每一條消息的長度、發送控制、接收處理、數據地址等參數。總線控制器在運行總線表過程中，順序執行（時分制的含義所在，這也決定了其通信方式為半雙工）總線表中的每一條指令，每一條指令完成一次消息的傳輸（如果該條消息需要被傳輸，即BC查詢到RT有傳輸請求或BC發起傳輸過程）。由于協議的特點，每條消息包含的數據最多為32字節，且每個RT發送/接收的消息地址最多為30個。這對接口控制文件的設計提出了較高的要求：1）如果需要傳輸的字節長度超過了32字節，必須將消息拆分，這就會更多的占用僅有的30個存儲地址；2）如果該RT需要傳輸的消息數量超過了30，則必須采用邏輯消息的設計方式，即多個邏輯消息共用一個存儲地址，但是必須在功能上確保這些邏輯消息不會同時傳輸，否則會發生數據覆蓋。

AFDX總線在本質上是交換式網絡，消息傳輸完全是各端系統發起，由1.2節可知，采用了兩對物理接線，每個端系統都可以實現同時發送、接收消息，即實現全雙工通信而不會碰撞。AFDX接口控制文件設計的所有數據塊在網絡中傳輸時，需要進行網絡配置，即產生每一個數據塊的源UDP、源IP、虛擬鏈路（VL）、目的IP、目的UDP。網絡配置以配置表形式駐留在每一個AFDX設備端系統中，交換機駐留有全網絡的規劃通信通路，因此AFDX網絡采用靜態路由機制，以交換配置表為依據，實現網絡通信和數據轉發。AFDX的這種網絡特性從很大程度上給接口控制文件的設計帶來了便利：1）消息的長度不再受限制，AFDX數據幀一次可以傳輸1471字節，即使超過了，也可以采用分片的方法進行多次傳輸；2）單個端系統傳輸的消息個數不再受限制（考慮硬件實際性能，一般不超過128條虛擬鏈路，考慮到每條消息的長度很大，全部消息的容量完全滿足使用需求）。

通過上面分析可以看出，1553B總線在消息的傳輸控制上十分嚴格，這樣的優點在于網絡通信具有高穩定性，但是其對接口控制文件的設計具有較高的要求，且消息的設計不夠靈活。例如，如果一個RT發送同樣的內容至另外多個RT，需要在總線表里分別定義指令來分時傳輸；而AFDX網絡憑借虛擬鏈路“一源多址”的特點可同時轉發。

2.2 航電系統控制器余度設計

這里的控制器是從航電系統的功能角度來描述的，控制器在航電系統中承擔大量的飛行任務執行、管理以及全網絡的數據傳輸調度（如果總線類型為集中控制式，如1553B）等工作，如果控制器一旦失效，則會對整個飛行任務造成不可估量的損失，所以系統大多會將關鍵的控制器設計成雙備份，以提高整個系統的可靠性。

在1553B總線網絡里，總線控制器（BC）同時又是航電系統的控制器，這樣整個總線系統的通信是在航電控制器的指揮下進行的，這給總線網絡帶來潛在的單點故障，一旦總線控制器失效，將造成整個總線系統的癱瘓。因此，1553B總線一般采用雙機冗余的設計方案，即指定總線上的一個遠程終端為備份BC，正常情況下備份BC執行RT功能，當BC發生故障時，備份BC重新進行初始化并執行BC功能。由于BC和備份BC的軟件不同，執行的功能不同，需要在系統設計中考慮兩者的故障檢測、狀態監控和數據同步等。

AFDX網絡中由于沒有集中式的通信控制器，因此每個端系統都可以作為航電系統的控制器，從而控制器余度設計可以采用熱備份，即兩臺控制器任一臺均可成為主控制器或備份控制器，兩者運行的軟件完全一致。考慮熱備份數據的備份與恢復需要，在系統正常運行的情況下將數據進行實時保存處理。在網絡配置時，將其他端系統狀態數據同時發送至兩個控制器，依據虛擬鏈路的特性，允許從一個源到多個目的端系統，在AFDX網絡中完全可以實現。并且，在控制器切換中，由于不需要重新初始化與數據恢復，切換的時間更短。

2.3 網絡可靠性

為了提高1553B數據總線工作可靠性，通常采用雙冗余方式，如圖1所示。實際使用中，第二條總線處于熱備份狀態，即總線控制器根據遠程終端響應的狀態字情況來決定使用哪一個余度，如果初始化的那條余度一直有狀態字應答，BC會一直使用該余度來管理消息傳輸；如果該余度狀態字無應答，則BC會切換至另一條余度來管理消息傳輸。

AFDX網絡采用另一種意義上的雙余度方式傳輸，如圖2所示，每一個端系統均有兩個物理端口，分別連接網絡中的A和B兩個余度網絡進行數據傳輸。端系統發送數據時，由通信協議堆棧為每一個數據幀增加一個序號，序號連續遞增。數據幀在兩個余度網絡上傳輸，在接收端，通信堆棧按照先到原則，將任一網絡上接收到的帶有有效序號的第一個幀傳輸至應用程序，接收到的帶有相同序號的第二個幀被忽略。這樣，對于任何的網絡組件的失效，例如：一段鏈路或一臺交換機的失效，數據流可以得到保護，從而實現AFDX網絡的余度通信。

2.4 擴展性

航電系統是飛機上發展更新最為活躍的系統，航電系統升級是維持飛機先進性的重要手段，除此之外，航電系統功能特別是人機界面的更改是非常頻繁的，因此要求總線網絡具有良好的擴展性。這里的擴展性不僅僅是指網絡節點的增加，實際上更多的是關注消息的增加和更改。

對于1553B總線來說，最多支持31個遠程終端，如果再增加遠程終端，則需要進行二級總線的設計，較為復雜；對于AFDX總線，每臺交換機可以連接24個端系統，通過交換機的級聯可實現擴展，級聯只是物理鏈路上的實現，不會額外增加系統設計復雜度。

至于更加常見的消息改動，對于1553B總線來說，需要謹慎設計接口控制文件和修改總線表，尤其是考慮不能超過消息長度的限制和消息個數的限制，且總線表修改了以后，整個網絡的消息在總線表里會重新組織排布，需要重新驗證整個航電系統的通信與功能；對于AFDX總線，則需要將新增的消息路徑參數定義在配置表里，會影響參與通信的端系統的配置表和交換機的配置表，無需重新測試整個網絡的功能。從這個角度來說，AFDX網絡的功能擴展更加方便。

3 結語

從實踐的角度比較結果來看，AFDX在高帶寬、冗長傳輸、冗余鏈接、重構能力、設計的靈活性等方面具有優勢，1553B在穩定性和可靠性 (從消息的控制角度)方面具有較大的優勢，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。

因此，在機載數據總線的選擇和使用上，除了考慮其功能、性能指標、可靠性、維修性和價格等因素，更重要的是結合飛機自身的任務特點與信息構成，作出適合飛機的選擇。