機載總線物理層建模方法研究

譚楚懿 郜宇杰 張致遠 栗乾瀚 陳瑤 苗原榮

摘? ?要：總線系統是飛機的重要組成部分，作為飛機的“神經系統”，總線系統的重要作用是擔負信號的輸送和分配的任務。總線物理層特性對總線的傳輸性能具有重要影響，建立合適的物理層模型對分析總線性能及對飛機安全性的影響至關重要。文章對不同類別總線進行了概述，建立了總線物理層的電氣參數模型。

關鍵詞：機載總線;傳輸特性;參數模型;分析

對于一個復雜航空電子系統，要實現各個航電子系統之間的協調工作，隨時掌握和處理瞬息萬變的數據信息，最大限度的利用各航空電子設備和子系統的功能，做到資源共享，使整個航空電子綜合化系統能夠高效可靠的工作，就需要利用高速可靠的機載總線，可以說飛機上各航電子系統之間的數據通信和信息交換都是以航空機載總線為基礎的通信網絡，機載總線網絡是將飛機平臺內的設備、模塊和部件連接起來的手段，它是實現航空電子綜合的一項核心支撐技術，同時也被認為是飛機的“中樞神經”。飛機上被連接的設備、模塊和部件等通常都嵌入有處理器，連接區(qū)域限定在飛機平臺內部，因此，機載網絡實質上是一種計算機局域網絡。機載總線種類繁多，但是，從傳輸線纜角度看，機載總線一般包括同軸電纜、屏蔽雙絞線、多股屏蔽雙絞線幾種。文章對這幾種類型線纜傳輸變化與總線性能關系進行了分析。

1? ? 總線式互連技術

總線式網絡是多個計算機節(jié)點通過一條共享的廣播介質（通信鏈路）采用時分復用的方法，實現信息交互和數據共享，其特點是任意時刻網絡只能被一個節(jié)點占用，其他節(jié)點在發(fā)送自身數據之前只能等待占用網絡的節(jié)點釋放信道資源。總線式網絡的歸一化吞吐量不可能超過1，即不可能大于網絡通信鏈路的帶寬。總線式網絡的介質訪問控制方法可以采用集中式的控制方式，也可以采用分布式的控制方式。常見的總線式網絡包括1553B，ARINC429和CAN網絡等。

1.1? ARINC? 429總線

分離式航空電子系統中，機載電子設備之間的互連沒有統一標準，但是ARINC429[1]總線的出現改善了這種情況。ARINC429總線規(guī)范闡述了通過一對雙絞屏蔽線從一個端口向其他它系統或設備以串行方式傳輸數字數據信息的方法。ARINC 429總線傳輸介質采用絞屏蔽電纜，通信采用雙極性歸零制的三態(tài)碼調制方式。絕大多數的現役民用飛機，許多運輸機上和民用飛機比如A310，A300～600，B357，B747，B757，B767，其航空電子設備系統間的信息交換采用的都是ARINC429串行總線標準。由于單工方式的工作特點，信息只能從通信設備的發(fā)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收口，信息不能倒流至發(fā)送端。在需要兩個通信設備間雙向傳輸時，使得ARINC429總線在實現設備間雙向通信時必須另外建立一條物理鏈路，當設備數量增加時，飛機中的電纜數量急劇增加，為飛機帶來了重量增加和互連復雜的不利影響。

1.2? MIL-STD-1553B總線

20世紀70年代初，美國空軍萊特實驗室開始實施DAIS計劃，首次將串行數據總線引入軍用飛機航空電子系統中。這就是1973年頒布的美國軍用標準MIL-STD-1553[2]“飛機內部時分式指令/響應多路傳輸數據總線”。該總線很快應用于F-15飛機，并且我國現役戰(zhàn)斗機的數據總線通信系統大多采用1553B標準進行數據傳輸。1553B總線使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質，互連線由主總線和短截線組成。主總線是傳輸數據的主電纜，電纜兩頭由與其傳輸阻抗相匹配的電阻器進行端接。主電纜的最大長度與電纜特性、終端數目及其分布有關，一般可達100～300 m。短截線是將終端連接到主總線的電纜。短截線的最大長度取決于它與主總線的連接方式，一般有直接耦合與變壓器耦合兩種連接方式。

1.3? AFDX網絡

航空電子全雙工交換以太網AFDX總線，是通過航空電子委員會審議的新一代機載以太網標準，是專用于航空電子網絡互連的“確定性網絡”[3]，所謂“確定性”主要是指時間的確定性，即“實時性”，實時性的性能保證機制由ARINC 664 part 7規(guī)范定義;part 7這部分還包含了固定路由和冗余數據包管理等內容。另外，根據ARINC 664規(guī)范定義的協議族part 1～part 8，網絡管理、網絡綜合與區(qū)分服務、保密性和簡單文件傳輸協議（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）分別根據不同的商用或工業(yè)標準改造而成，可以在AFDX的上層應用中得以應用。典型的AFDX網絡由端系統、交換機和連接鏈路組成，端系統實現了基于虛擬鏈路的流量調度以及雙冗余熱備份機制，交換機具有流量的管制與過濾功能。AFDX的物理層服從ARINC664 part 2規(guī)范中對于飛機數據網絡（Aircraft Data Network，ADN）物理層的定義。

2? ? 機載總線電路參數模型

不管是同軸電纜還是屏蔽雙絞線都屬于傳輸線纜。根據飛機導線電氣參數的分布情況，導線的數學模型可以分為分布參數模型和集中參數模型。

在飛機的導線系統中，由于信號主要是以高頻形式傳輸，在高頻率信號范圍內，傳輸線的各項參數將發(fā)生變化，直接影響著電纜的電氣性能。所以研究者考慮在趨膚效應下各因素對電氣參數的影響。通過對飛機導線物質特性的研究，可以知道導線的電氣特性由4個分布參數來表征：反映導線通過電流時，產生有功功率損失效應的電阻;反映載流導線周圍產生磁場效應的電感;反映導線，帶電時，絕緣介質中產生泄漏電流及導線附近空氣游離而產生有功功率損失的電導;反映帶電導線，周圍電場效應的電容。以飛機導線中常用的同軸導線為例，研究導線的等效電路和電氣參數。同軸導線的結構主要由內導體、外導體及填充介質所組成，借助電纜等效電路，利用電報員方程，可以得到其標準微分方程：

同軸電纜單位長度電阻R：

同軸電纜單位長度電感L：

同軸電纜單位長度電容C：

導線單位長度的電導G為：

通過分析以上表征飛機導線電氣特性的分布參數方程，可以發(fā)現：導線的電氣參數與導線的材料、幾何尺寸及所填充介質的參數有關，并且根據導線的結構組成，可以利用理論計算或實際測量的方法確定電氣參數的具體數值。

3? ? 結語

文章首先介紹了航空電子系統，對航電系統的發(fā)展歷程及關鍵支撐技術航電機載總線網絡進行了概要分析。然后，在此基礎上對機載總線的物理層進行了建模分析，得出電纜單位長度的電阻、電感、電容、電導與電纜物質結構參數之間的定量關系，為后續(xù)傳輸線路電氣特性變化的研究以及由于電氣變化對機載總線性能的影響分析奠定了理論基礎。

[參考文獻]

[1]海灝，夏喜龍.基于FPGA的高速ARINC429數據過濾設計[J].電子技術與軟件工程，2019（14）：13-14.

[2]張亞維，史強強，張樂.機載飛控1553B總線轉以太網總線設計[J].測控技術，2018（8）：19.

[3]孟軍，江濤，周龍，等.AFDX與1553B機載數據總線對比分析研究[J].教練機，2018（4）：20-22.