朱耀國 秦沖 蔡曉樂

摘要：現(xiàn)代民用飛機(jī)“發(fā)動機(jī)指示與機(jī)組警告系統(tǒng)”（簡稱EICAS系統(tǒng)），是飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的核心分系統(tǒng)，是負(fù)責(zé)向機(jī)組人員顯示飛機(jī)發(fā)動機(jī)和其他系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的綜合顯示系統(tǒng)。由于EICAS系統(tǒng)需要實時顯示飛機(jī)飛行時的多組關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其需要通過飛機(jī)上的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備獲取大量數(shù)據(jù)。本文通過分析ARINC664總線及ARINC429總線的技術(shù)特點，介紹這兩種總線在EICAS系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： EICAS系統(tǒng);ARINC664總線;ARINC429總線;機(jī)載網(wǎng)絡(luò);航空電子系統(tǒng)

中圖分類號：TP334.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0205-02

Abstract： On the modern civil aircraft， the “Engine Indication and Crew Alerting System”（EICAS）is the core subsystem of the avionics system， and also the integrated display system which is responsible for reporting the working status of the engine and other system. Due to the EICAS needs to display multiple groups of important data during the flight in real time， it needs to acquire a lot of data from the airborne network and other devices. This paper introduces the use of the arinc664 and arinc429 buses in EICAS by analyzing the features of them.

Key words： EICAS;ARINC664;ARINC429;airborne network;avionics system

1引言

發(fā)動機(jī)指示與機(jī)組告警系統(tǒng)（EICAS）是新一代具有綜合性多功能顯示的彩色顯示裝置，是具有全程監(jiān)控、多種顯示、存儲信息和飛機(jī)報警等功能的機(jī)載復(fù)雜系統(tǒng)[1]。在飛機(jī)上，尤其是處于某些緊張飛行狀態(tài)，顯示器必須保證駕駛員在極短的時間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取所需要的信息，并進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的操縱[2]。對于后臺機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的大量參數(shù)，為了提高參數(shù)獲取的精度和減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，現(xiàn)代飛機(jī)上的機(jī)載設(shè)備趨向于綜合指示。一般EICAS系統(tǒng)需實時顯示飛機(jī)發(fā)動機(jī)、燃油、液壓、環(huán)控、電源、操縱、輔助動力裝置、結(jié)冰探測等分系統(tǒng)的參數(shù)并進(jìn)行監(jiān)控。在現(xiàn)代民用飛機(jī)中，如圖1所示，各個分系統(tǒng)一般包含控制器、傳感器、制動器等，這些設(shè)備具有ARINC429總線數(shù)據(jù)信號、模擬量和離散量數(shù)據(jù)，或其他信號，這些信號通過接入航空電子系統(tǒng)的航電計算機(jī)[3]，通過作為機(jī)載網(wǎng)絡(luò)主總線的ARINC664總線傳輸至EICAS計算機(jī)及顯示器，再由EICAS系統(tǒng)進(jìn)行處理及使用。

2 ARINC429及ARINC664總線

2.1 ARINC429總線概述

ARINC429總線協(xié)議的全稱是數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)（Digital Information Transmission System），最早是由美國無線電公司（ARINC）制定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前許多的商用飛機(jī)上使用了ARINC429總線通信系統(tǒng)，我國航標(biāo)“SZ-01數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)”（HB-6096-86）也規(guī)定為ARINC429[4]。ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)自1977年發(fā)展至今，廣泛應(yīng)用在先進(jìn)的民航客機(jī)中，如B737、B747、A330、A340、CS100等，已被證明在要求嚴(yán)格安全的應(yīng)用中是非常可靠的[5]。

ARINC429總線為單工通信而非全雙工通信，從一個發(fā)送器到各個接收器的數(shù)據(jù)流是單向的。如果形成總線通信系統(tǒng)，要求兩個方向都能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則每一數(shù)據(jù)流方向都需使用一根獨立的數(shù)據(jù)總線[6]。數(shù)據(jù)從一個信號源發(fā)出通過線電纜傳至各接收器，1個信號源可支持20個接收器。ARINC429的通信速度分為高速的100Kbps和低速的12.5Kbps。ARINC429消息為1個包含了5個區(qū)域的32位字。第32位為奇偶校驗位（Parity bit），用于數(shù)據(jù)在傳輸過程中檢查是否有丟失或錯誤。30到31位為符號狀態(tài)矩陣位（SSM），它指出數(shù)據(jù)的特性;29位到11位是數(shù)據(jù)位;10位到9位是源終端識別（SDI），用于標(biāo)識數(shù)據(jù)發(fā)送源;8位到1位是標(biāo)號位（LABEL），用以區(qū)別各類數(shù)據(jù)字。

2.2 ARINC664總線概述

ARINC664總線標(biāo)準(zhǔn)由美國無線電公司（ARINC）制定，它由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（IEEE 802.3）經(jīng)適用性改進(jìn)，為下一代航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸所定義的一個確定性航空電子數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。其中第7部分定義了一個確定性航空電子設(shè)備全雙工交換以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex SwitchedEthernet，AFDX），具有高帶寬低延時、確定性、雙余度和可靠性的特點，已在大型客機(jī)A380上成功使用。

ARINC664網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度為100Mbps，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在架構(gòu)上與以太網(wǎng)類似，采用端系統(tǒng)和交換機(jī)構(gòu)成的星型拓?fù)鋄7];同時，通過交換機(jī)之間的級聯(lián)，可對ARINC664網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓展。ARINC664網(wǎng)絡(luò)主要包括交換機(jī)和端系統(tǒng)。在一個ARIN664網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，有2個獨立的交換網(wǎng)絡(luò)，即A網(wǎng)絡(luò)和B網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。一個端系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包將發(fā)送至2個網(wǎng)絡(luò)上，而接收的端系統(tǒng)將收到2個數(shù)據(jù)包，這樣，當(dāng)某一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，另一網(wǎng)絡(luò)仍能正常工作，2個端系統(tǒng)間仍夠能正常通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

ARINC664消息分為隱式（Implicit）或顯式（Explicit），在這里，將著重討論隱式結(jié)構(gòu)消息。顯式消息結(jié)構(gòu)包括格式信息，隱式消息結(jié)構(gòu)沒有相關(guān)的格式開銷，消息中不含解釋消息內(nèi)容的識別方法，但是能更有效率的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。對應(yīng)的，隱式消息的解釋是應(yīng)用程序通過接收數(shù)據(jù)的端口號來確定的。ARINC664消息的第一個區(qū)域為32位的保留域，被填充為全0;隨后是一個4字節(jié)共32位的功能狀態(tài)集（Functional Status Set），每個字節(jié)表示一個數(shù)據(jù)集的功能狀態(tài)，可支持后續(xù)最多4個數(shù)據(jù)集（Data Set）的功能狀態(tài);最后是至多4個數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集支持有/無符號數(shù)及浮點數(shù)、布爾量、字符串或者非透明數(shù)據(jù)[3]。

3 兩種總線特點對比

ARINC664級ARINC429總線兩者的區(qū)別，主要在集中在發(fā)展能力、傳輸速度、擴(kuò)展能力、線纜數(shù)量及重量、兼容性及可靠性這六個方面。

1）發(fā)展能力：ARINC664總線誘人的原因之一是它基于以太網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)技術(shù)自1972年發(fā)展至今已非常成熟，且相比ARINC429和MIL-STD-1553總線等，具有更多的投資及發(fā)展空間。

2）傳輸速度：ARINC429總線速度最高為100Kbps，而ARINC664總線可以達(dá)到100Mbps。ARINC664總線的速度是ARINC429的1000倍。

3）擴(kuò)展能力：ARINC429總線一個發(fā)送信號源僅支持至多20個接收端;ARINC664總線的接口數(shù)量僅受交換機(jī)上的接口數(shù)量限制，可以通過交換機(jī)級聯(lián)簡單地增加接口數(shù)量[8]。

4）線纜數(shù)量及重量：ARINC429總線是單工通信，如果需要兩個設(shè)備間能互相通信，那么需要兩根總線進(jìn)行接收及發(fā)送，在多設(shè)備交聯(lián)及冗余備份的情況下，需要較大數(shù)量的線纜;ARINC664總線是雙工通信，且端系統(tǒng)與端系統(tǒng)間無須連接，總線線纜均連接至交換機(jī)，減少了線纜的數(shù)量及重量，及連接的復(fù)雜性。

5）兼容性：ARINC664總線作為ARINC429總線的繼任者，其在消息結(jié)構(gòu)上除了支持常見的支持有/無符號數(shù)及浮點數(shù)，布爾量，字符串?dāng)?shù)據(jù)，還支持不透明數(shù)據(jù)。ARINC429數(shù)據(jù)可作為不透明數(shù)據(jù)通過所在設(shè)備的端系統(tǒng)通過ARINC664總線上傳至機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)，再由應(yīng)用進(jìn)行解析。

6）可靠性：ARINC429總線經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，經(jīng)過在多種機(jī)型上的使用，已經(jīng)證明了其可靠性;ARINC664總線采取A、B網(wǎng)絡(luò)的冗余管理，以及在A380機(jī)型上均證明了其可靠性。

4結(jié)論

由上述介紹及對比可知，相較ARINC429總線，ARINC664具有傳輸速度快、擴(kuò)展能力強(qiáng)、利于減輕線纜數(shù)量及重量的特點，更適合作為機(jī)上航空電子系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò);同時，ARINC664總線消息結(jié)構(gòu)支持傳輸不透明數(shù)據(jù)，這樣使得ARINC429數(shù)據(jù)可通過其所在設(shè)備所在的端系統(tǒng)上傳至ARINC664總線網(wǎng)絡(luò)。

由于現(xiàn)階段使用ARINC429接口的控制器、傳感器及作動器仍較多，其子系統(tǒng)控制器可通過ARINC429總線對子系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總后，再通過其ARINC664端系統(tǒng)上傳至ARINC664總線網(wǎng)絡(luò)，EICAS系統(tǒng)計算機(jī)通過ARINC664交換機(jī)獲取數(shù)據(jù)，可以完成全機(jī)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)快速采集，在解算后向機(jī)組成員快速反饋機(jī)上發(fā)動機(jī)及各子系統(tǒng)的狀態(tài)，并進(jìn)行告警。

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