航空數據總線技術分析與發展

文/張青峰 葛晨 秦正運

1 引言

隨著航空電子技術高速發展，航空電子系統結構經歷深刻變革，呈現出高度信息化、綜合化和網絡化的發展趨勢。機載電子設備或子系統之間數據傳輸、信息共享和任務處理的數據總量不斷增加，提供高速、可靠的實時通信對航空數據總線提出了更高的要求，機載數據總線技術已成為現代先進航空電子綜合化最重要的關鍵技術之一。

本文對航空電子體系結構發展進行了簡要的介紹，闡述了幾種典型的數據總線技術，并對協議規范、主要性能、應用情況等進行了對比分析。

2 航空電子體系結構發展概述

機載數據總線技術來源于航空電子綜合系統的發展，航空電子系統結構發展先后經歷了分立式、聯合式和綜合式三個階段：分立式航空電子系統結構，分系統自成體系，設備和系統工作時是完全相互獨立的，甚至執行任務有賴于飛行員的判斷；聯合式航空電子系統結構，將子系統通過總線實現系統互聯，由中心控制計算機進行集中控制，實現資源共享和信息的綜合顯示；第三代綜合式航空電子系統結構，提出“模塊”概念，使用超級計算機構成通用信息處理模塊，從而取代子系統，通用模塊可以加載多種任務和功能，航空電子系統在信息處理方面實現了高層次的綜合。

目前正過渡到先進綜合式航空電子系統階段，采用通用綜合處理器技術，與傳感器、飛行器管理系統提供、外掛管理系統之間的數據交換采用統一的高速率光交換系統，使飛機上各個系統處于同一個多處理網絡中，統一航空電子互聯接口支持共享內存體系結構，具有低延遲，實時性更好，接口更統一，利于維護、擴展和故障后重構。

表2：總線性能比較

3 典型的數據總線技術

隨著航空電子系統發展，涌現了多種數據總線投入使用，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數據總線

ARINC429 是美國航空無線電公司（ARINC）一種單向廣播式的航空數據總線標準，以ARINC429 數據總線構成的系統是單信息源、多接收器的傳輸系統，通信時只有一個發送器，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一根傳輸總線。ARINC429 數據總線傳輸雙極歸零的調制信號，信號由高電平到零電平表示邏輯狀態1，信號由低電平到零電平表示邏輯狀態0。傳輸速率一般有100kbps 和48kbs 兩種。傳輸協議采用帶奇校驗的32 位信息字，格式如表1所示。

數據傳輸順序由第1 位依次發送至32 位，先傳標號，后傳數據。當傳輸數據時，優先傳輸最低位。而傳輸標號時，先傳最高位后傳最低位。

ARINC429 總線結構簡單完善，性能相對穩定，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應用于對數據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域得到廣泛應用。

3.2 MIL-STD-1553B總線

為適應工業和軍事的需要，1973年，美軍和政府共同推出一種多路數據總線電氣特性和協議規范的軍事標準，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，依據其功能作用分為總線控制器（BC）、總線監控器（BM）和遠程終端（RT）。BC 負責引導總線上的數據流，是唯一可發布數據傳輸或控制管理指令的設備；BM 監聽總線上的數據交換，用于對數據進行記錄和分析；RT 是一個用戶子系統，在BC的控制下發送或接收數據。1553B 總線采用曼徹斯特II 型編碼，其消息分為指令字、數據字和狀態字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 總線傳輸數據，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。

1553B 總線因其技術成熟，且具可靠性和靈活性，廣泛應用與軍事、工業和科技領域。

3.3 AFDX總線

AFDX 是基于IEEE-802.3 以太網技術，通過增加數據傳輸的確定性而發展的一種航空電子全雙工交換式以太網，為關鍵系統提供高速且可靠的實時數據傳輸。傳統的半雙工以太網結構由于沒有中央控制計算機，信息包在傳輸過程中會發生碰撞，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，同時對以太網標準進行擴展，保證確定性的網絡數據傳輸。AFDX 幀結構在IEEE-802.3 以太網幀的基礎上，增加了一個SN（序列號）字段（占用一個字節長度），相應的IP/UDP 有效載荷長度減少一個字節，如圖2所示。

AFDX 有效載荷長度范圍為17 ～1471 字節，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 字段用于實現虛擬鏈路上數據的順序發送和檢測數據幀是否丟失，從而保證接收端能夠接收到完整的幀序列。

AFDX 網絡傳輸速率可選擇10MB/s 或100MB/s，其特點是采用全雙工開放式系統架構，網絡連接以交換機為中心形成星形拓撲結構，終端的網絡配置參數在啟動前就裝入交換機中，與其它終端通過交換機進行數據交換和網絡通信。AFDX 以兩條相互獨立的網絡路徑進行網絡傳輸，接收端只接收最早到達的有效數據幀，同時因其提供有保證的服務，所以AFDX 網絡具備一定的可靠性。

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瓶頸。FC 總線從下到上定義了5 個協議層，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和傳輸速率等。FC-1 編碼/解碼層定義了總線傳輸協議，包括串行編碼、解碼規則和差錯控制。FC-2 鏈路控制層定義了數據傳輸方式，以及幀格式、幀序列、通信協議和服務分類。FC-0、FC-1、FC-2 組成FC 通道的物理和信號接口（FC-PH）。FC-3 公共服務層對FC-PH 層以上的高層協議提供一套通用的公共通信服務。FC-4 映射協議層定義FC 通道的應用接口，規定了上層協議到FC 通道的映射。

圖2：AFDX 幀格式

FC 總線定義了三種拓撲結構：點到點、仲裁環和交換式結構。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、拓撲結構靈活和支持多種上層協議等優點，FC總線恰好能滿足航空電子系統日益增長的對數據要求高速和低延遲傳輸的需要。

4 分析比較

綜合分析上述幾種典型的航空數據總線，表2從傳輸速率、拓撲結構、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，數據總線從較早的ARINC429 到1553B 再到FC 總線技術，總線的性能逐步提升。其中通信速率已達Gb/s 級別，最大節點數越來越多，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，航空數據總線朝著高帶寬、低延遲的方向不斷發展，提供高速可靠的數據傳輸業務。

5 結束語

數據總線技術與航空電子技術發展同步進行，相互促進，已經成為現代航空電子系統綜合化的關鍵技術之一，在很大程度上提升了飛機本身的性能和完成任務的能力。因此，選擇和使用數據總線，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。

航空電子系統結構朝著信息化、綜合化、網絡化和智能化方向發展，AFDX 基于以太網的廣泛商業應用，以其高速率和低成本的特性，適用于民用航空領域。ARINC429 和1553B 可以實現穩定和可靠的數據傳輸業務，可用于對數據傳輸要求一般的環境，但難以滿足現代航空電子系統對數據傳輸的高要求。FC 總線以其獨特的性能優勢，能夠提供高帶寬、低延遲、高可靠性的信息傳輸保障，實現多種設備資源和信息的交互共享，充分發揮整個系統的效能，很好地適應航空電子系統結構的發展，在航空數據總線領域具有廣闊的應用前景。