AFDX航空通信協議及其核心技術分析

肖紅玉

摘 要：AFDX主要借助于成熟的以太網通信結構，在通信協議和拓撲結構上均使用了全雙工以及雙冗余等方式，令其滿足航空電子系統在帶寬以及實時性方面的需求。文章主要對AFDX航空通信協議進行研究，分析其硬件以及軟件的具體設計方式，旨在提高通信服務質量，希望為相關工作人員提供一定參考價值。

關鍵詞：AFDX航空通信協議;核心技術;虛擬鏈路

0? 引言

AFDX航空通信協議是為大中型民用機以及軍用飛機設計而成的拓撲網絡，現已經成為我國航空通信網絡的最佳手段。相關工作人員應該重視此方面的研究工作，促進AFDX網絡的進一步發展。

1 AFDX航空通信協議的硬件結構設計分析

1.1 航空電子子系統設計分析

航電子系統是AFDX通信系統的重要組成系統，也是驗證AFDX終端系統必不可少的輸入前端，當前，前期項目就對飛機的駕駛艙進行設計，主要利用的就是AFDX系統。為了保證AFDX終端系統的兼容性，在對AFDX設計前期，還應該在原有的系統上，設計一個CAN總線式的通信模塊，即控制器局域網絡。該模塊是德國博世公司研究而成，現已成為世界上利用率最高的現場總線。CAN總線主要被應用在汽車內部一些強干擾的環境下，性能較強，已經被大面積推廣。例如，1991年就已經制定了相關的技術標準，為CAN總線模塊朝著標準化以及現代化的方向發展，提供了較大的便利。

目前，航電子系統中主要應用的是DSP芯片TMS320F2812中嵌入了一個CAN總控制器模塊eCAN，可以與的CAN2.8較好地兼容起來。由于eCAN屬于32位結構，利用內部嵌入硬核的方式就可以完成協議，完成CAN數據鏈的路層部分，eCAN模塊就含有內部管理以及錯誤檢測結構管理，外部連線方式較為簡單，只需要使用兩個數據庫，就可以將其與物理層連接起來，實現與全局網絡時間同步。

1.2? FPGA的硬件設計分析

當前，市場中主要使用芯片為Xilinx，ALTERA，Lattice以及Actel等公司研發而成的，本文以Xilinx公司研發的、Virtex-II生產的8層0.12～0.15μmCOMS的金屬芯片為例，該芯片的內部時鐘規律約為420 MHz，屬于一種速度較高、能耗較小的芯片。該新品除了功能較為靈活，還蘊含較為豐富的資源，十分適合用來設計IP核與常規模塊。

FPGA的配置電路模塊主要有以下幾方面功能：（1）可以將該模塊中的DLL轉變成為數字時鐘管理模式，確保時鐘的靈活性。（2）通過在系統內部的CLB模塊中嵌入4個Slice，增加系統的邏輯容量以及資源利用率。（3）在系統內部嵌入專業性較強的乘法電路，進一步提升信號處理速度。（4）可以配置多個RAM以及FIFO，增加系統存儲容量。（5）具有較多的IO接口，實用性較強。

1.3 物理層硬件設計分析

AFDX物理層的協議標準以太網較為相似，但是由于AFDX屬于冗余性質的網絡，物理層必須要有兩個完全相同的結構，因此，為了確保兩個網絡可以保持一致，工作人員應重視物理層控制芯片的選擇工作。例如，選擇雙端口類型的以太網物理層芯片[1]。近年來，大部分企業使用的均是美國Cortina公司研發而成的LXT937芯片，技術人員可以將AFDX系統的通信速度調整為100 Mbps。為了避免受到高通信速率的影響，提高服務質量，必須要在信息數據處理后再將其接入網絡系統中，防止分離變壓器受到電磁干擾，影響通信質量。

2 AFDX航空通信協議的軟件設計分析

2.1 虛擬鏈接模塊設計分析

虛擬鏈接通常是在數據鏈的中層實現的，是從一個終端逐漸向多個終端傳播的過程，主要作用就是對實際電路的帶寬予以分時復用，提升對資源的利用率和服務質量。由于一條鏈路往往包含較多的虛擬鏈路，虛擬鏈路是在通信開始時才建立的，當通信完畢后就可以拆除，不僅不會影響到終端系統的物理結構，還可以保證虛擬鏈路之間能夠相互獨立，防止對線路造成干擾。虛擬電路的帶寬利用率對虛擬電路的影響較小，不會占用帶寬，但是也無法將自己的帶寬分享給其他的虛擬鏈路，以此確保信息不會混淆。

2.2 完整性檢測模塊設計分析

完整性檢測模塊通常是在冗余管理之前，主要作用是檢測數據信息的完整性，因此，完整性模塊往往只在AFDX的終端系統中應用，有利于消除無效幀，保證通信全網絡的魯棒性。

在無故障網絡系統中，完整性檢測模塊只能發揮中繼作用，將接收到的信息數據傳遞到冗余模塊中，在實際應用時，無故障網絡出現的頻率較少。例如，AFDX的數據幀在打包過程中就封裝了一個8位數序列號的SN，發送終端根據序列號的增減順序，將其發送到數據模塊中，其中，SN為判斷信息數據有效性的標準。在利用完整新模塊對數據進行檢測時，必須要讀取這一標準，當其滿足公式SN=PSN+1時，才能保證該數據的完整性，如果不滿足，就需要消除這一數據。其中，PSN代表相同虛擬電路中最接近SN的一個有效數據[2]。

2.3 冗余管理模塊的設計分析

AFDX屬于冗余系統，當數據發動時就會被備份，當數據都被接收到終端系統時，就會給系統帶來較大的干擾。因此，當數據被傳送到上層前，工作人員就可以適當去除掉一部分數據，不僅可以節約系統資源，還可以提高資源的利用率。

該模塊的主要工作原理：當在接收終端時，該系統通常是利用時間優先的原則來辨別冗余幀，最先接收到的信息數據往往被看作成有效幀，從而被系統接收。

目前，對系統展開冗余管理時，主要是借助于SN以及SkewMax等作為的接收標準。一旦受到外部環境的影響，就會造成兩個網絡的延遲時間出現差別，致使據幀傳遞到接收端時間也有所區別，因此，工作人員則可以利用SkewMax標準來管理網絡延遲時間。通常，在冗余管理模塊，MLB可以保存最近一個傳遞到冗余管理中的模塊數據，在管理該模塊時，其數據必須要滿足以下條件：第一，數據幀中的SN必須要超過MLB中的SN;第二，互為冗余數據的系統數據幀，管理模塊的時間差應該超過SkewMax[3]。

3 AFDX航空通信協議及其核心技術的測試分析

工作人員需要對航電子系統進行測試，為了測試該系統能否正常工作，通常需要將其接入到上一級系統中。將航電子系統作為航空面板的控制系統，檢測AFDX終端系統的功能，并將其添加到CAN模塊中，經過測試后，CAN模塊可以達到正常通信的目的。另外，還需要對AFDX實驗系統以及AFDX端到端的延遲系統進行測試。利用示波器、AFDX網絡分散儀以及CAN模塊（見圖1），通過接收到的信息數據，分析系統的整體網絡結構，確保系統功能得以實現。除此之外，還可以結合OPNET的仿真結果，對網絡展開演算，充分發揮AFDX的作用。

4 結語

總而言之，加強對AFDX航空通信協議及其核心技術研究工作，不僅有利于提高信息數據傳輸環節的可靠性以及速度，還能夠提升服務標準。因此，應重視此方面的研究工作，優化AFDX的硬件設計以及軟件設計，進一步降低通信線路的用線量，完善系統結構，提高其性能，為我國航空電子系統朝著綜合化以及集合化的方向發展夯實基礎。

[參考文獻]

[1]汪寧.AFDX航空通信協議及其核心技術研究[J].工業控制計算機，2019（11）：4-6，9.

[2]王海濤，張鵬亮，范振東，等.航空通信環境中IP移動性支持協議探析[J].電信快報，2018（6）：6-9.

[3]涂星濱，肖芳貴，許肖梅.水聲通信中一種新型無前后綴的單載波頻域均衡技術[J].電子與信息學報，2021（43）：1-9.

（編輯 姚 鑫）