實時以太網技術在航空電子系統中的應用

郭賀

【摘? 要】隨著科技的進步，我國的航空技術也得到了飛速的發展，實現了“質”的飛躍。隨著航空電子技術的全面發展，對機載的航空電子數據傳輸網絡的性能也提出了新的要求，因此原有的航空電子技術已無法滿足航空技術發展的需要，所以采用以太網技術來實現對航空電子系統的實時通信則十分必要，解決以太網在傳輸信息時間的確定性是當前的首要任務。

【關鍵詞】以太網技術;航空電子系統;實時

引言

隨著計算機、通信、網絡等信息技術的發展，信息的交換已經覆蓋世界的各個領域，以太網實時控制技術的發展解決了工業現場設備間通信的確定性和實時性，這一技術的發展同樣給航空電子系統的發展提供了有利條件。以太網是應用于工業現場設備間通信的開放網絡技術，采用分段化系統結構和確定性通信調度控制策略，實現現場設備間的通信，廣泛的應用于各個領域。以太網具有高效、穩定等優點，根據這些優勢，可以對以太網進行適當地改造，以便實現在航空電子系統中的應用，更好的滿足航空電子系統的發展需要。

1.以太網的概述

以太網是在20世紀70年代研制開發的一種計算機局域網技術，使用同軸電纜作為網絡媒體，采用載波多路訪問和沖突檢測機制，應用廣泛。如今的以太網常指各種采用CSMA/CD技術的局域網，以太網的幀格式與IP一致，特別適合傳輸IP數據。以太網具有簡單方便、價格低、速度高等優點。

2.傳統以太網技術發展的現狀

傳統的以太網遵循IEEE802.3協議，采用的是CSMA/CD方式進行數據的傳輸，傳輸速率為10Mbps。在一個局域網內，只能同時有且只有一個客戶端發送數據，具有限制性、不確定性和非實時性等缺點。隨著網絡的發展，傳統標準的以太網技術已難以滿足日益增長的網絡數據流量速度需求，因此以太網實時控制技術應運而生，滿足實時功能的要求，實現了工業企業綜合自動化系統各層次信息的無縫連接，推動了工業企業的技術改造和提升，加快了信息化改造進程。

3.以太網在航空電子系統的不適應性

由于以太網采用CSMA/CD介質訪問控制機制，因此具有通信“不確定性”的缺點。雖然在一定程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：

3.1以太網交換機的存儲機制使通信延遲具有不確定性

通信延遲的不確定性主要來自于其排隊延遲。無論采用哪種存儲轉發機制，當同時來自于多個端口的報文需要向同一個端口轉發時，交換機就必須將這些報文進行排隊緩沖，并依次轉發。因此，交換機的緩沖池大小將直接影響了來自于某一端口的報文能否以及何時被成功轉發。

3.2以太網交換機存在的“廣播風暴”問題

在數據通訊網絡中，人們廣泛采用廣播方式發送實時數據報文，在此過程中，同樣會產生碰撞。

4.實現實時以太網的改造方法

4.1采用EPA網絡

采用EPA網絡，可以實現工業企業綜合自動化智能工廠系統中從底層的現場設備層到上層的控制層、管理層的通信網絡平臺基于以太網技術的統一，即所謂的“E（Ethernet）網到底”。采用EPA，可實現工業企業智能工廠中垂直和水平兩個方向的信息無縫集成：

通過EPA網絡通信平臺提供的實時數據通信服務，來自不同廠商的現場智能設備和應用程序可以實現信息透明互訪和互可操作。

采用EPA網絡，可以實現智能工廠中從管理層、控制層直至現場設備層等所有網絡層基于以太網的信息無縫集成，用戶可以在世界的任何地方通過其訪問權限，直接通過常用的工具或軟件訪問智能工廠中的任何一個設備。

利用EPA開放網絡平臺，可以實現傳統控制系統（如DCS、PLC）與基于EPA的現場總線控制系統FCS之間的信息無縫集成，使得工業現場設備中的大量控制和非控制信息能夠無縫地傳遞到制造執行層和企業管理層系統，通過信息集成創新技術、數據綜合利用技術、數據增值挖掘技術等，對工業企業生產全過程實現高效智能化管理。

4.2制定統一的高層協議，實現信號互通

所謂信號的互通，即兩個需要互相通信的設備所采用的通信介質、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等幾方面的參數符合同一標準，即物理層標準。在此基礎上，采用統一的數據鏈路層協議，不同的設備就能連接在同一網絡上實現互連。

如今，幾乎所有的控制系統都采用了以太網、TCP/IP協議作為其通信網絡，實現了設備的互連。但是，如果僅采用以太網、TCP/IP協議，而沒有統一的高層協議（如應用層協議），不同設備之間還不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義，就不能實現信息互通，也就不可能實現開放系統之間的互可操作。為此《EPA》標準為用戶層應用程序定義了應用層服務與協議規范。

5.航空電子系統

航空電子是指飛機上所有電子系統的總和。一個最基本的航空電子系統由通信、導航和顯示管理等多個系統構成。

5.1航空系統的智能化

新一代航空系統的特點是向智能化發展。當代的航空電子系統只能將各種數據提供給駕駛員，或者經過處理后給出引導性的指示信號，有時變換成易理解的直觀圖示方式，但最終的判定、決斷要駕駛員給出，利用實時以太網可以完成收集數據、推理和判斷并做出決斷，可以直接給出控制指令，也可以向駕駛員提出處理建議，由駕駛員決斷及實施控制，進而完成信息的實時通信。神經網絡的研究也取得很大進展，應用到機載后可以使航空電子系統具有自學習和自適應能力，人工智能的方法可以在航空電子系統中找到很多應用，例如智能人機接口;本機完好情況監視及應急處理等。智能化系統使駕駛員從過量的任務負擔中解脫出來，集中精力于高層次的判斷，并可避免人腦在某些方面的能力不足。

5.2航空系統的通信

通信系統也許是航電系統中最先出現的，完善的通信系統航空電子的發展提供便利，飛機和地面的通信能力從一開始就是至關重要的。遠程通信爆發式的增長意味著飛機必須攜帶著一大堆的通信設備。其中一小部分提供了關乎乘客安全的空地通信系統。以太網的存在剛好解決了這一問題，由于其具有速度快、成本低等優點，可以解決現代航空系統存在的問題，能夠促進航空系統更好的發展。

5.3航空系統的數據總線

70年代以來，隨著微電子、計算機、控制論的發展，使得航空電子系統的發展更為迅速。1980年美國專門制定了軍用1553系列標準和ARINC系列標準，使數據總線更加規范化。目前自動化程度較高的軍、民用飛機、如F-16、F-117、幻影2000、空中客機A340等都采用了數據總線技術。數據總線技術是我國航空電子系統設計中已有十幾年的設計和使用經驗。航空航天電子系統選用數據總線需要綜合考慮通信速率、可靠性、抗干擾、兼容性、可擴展等要求。

6.結束語

數據總線是航空電子系統能夠成功傳遞信息的關鍵，而傳統的數據總線已經不能滿足航空發展的需要。而以太網速度快，成本低等優點，以后必將廣泛的應用于航空電子系統，滿足航空電子系統的時代要求。但對于以太網真正應用到航空電子系統，還有一系列問題需要解決，建立迎合航空電子需要的以太網是我們工作的首要內容。

參考文獻

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