航空電子數據總線技術研究綜述

曹慶年　晉軍茹　孟開元

摘要：隨著現代航空電子系統趨于復雜多元化，在性能上要求更加嚴格。文章首先對航空電子系統簡要概述，然后對幾種典型的航空電子數據總線技術分析研究，最后總結并指出航空電子數據總線技術的發展趨勢。文章對于航空電子數據總線技術的研究，有望為后續研究人員提供參考，促使其更好地發展和應用。

關鍵詞：航空電子系統;MIL-STD-1553B;ARINC429;FC;TTE

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0001-02

1 引言

近年來，面對現代航空領域飛行器傳輸數據量的劇增，航空電子系統的復雜化，所需執行任務的多元化，并且在實時性以及可靠性等多個方面有了更高的要求，因此航空電子系統需要不斷發展才能滿足現代針對于數據傳輸提出的新需求。航空電子數據總線技術是航空電子系統的核心部分，總線技術決定并衡量航空系統的整體性能，總線技術為航空系統提供支持并推動其不斷發展。傳統的總線技術已經不能完全滿足現代的需求，新一代的總線技術才可以適應時代的新需求，從而提高航空電子系統的整體性能，最終使飛行器的整體性能得以提升，保證飛行器的舒適性、安全性和可靠性。

2 航空電子系統概述

航空電子數據總線技術和航空電子系統的關系是密不可分的，總線技術是在航空系統的基礎上演變而來的，二者相輔相成，共同發展。航空電子系統在早期復雜程度不高，主要執行飛行器的起飛、導航以及落地等操作，隨著時代的發展以及科技的進步，航空電子系統趨于復雜化，可以執行的操作趨于綜合化以及全面化[1]。航空電子系統的發展一共經歷了四個階段。

2.1 分散式航空電子系統

二十世紀四五十年代，航空電子系統最初是一個分散式的系統，各種子系統的工作完全獨立進行，分別實現不同的功能，對于各種子系統信息的獲取、處理、顯示以及控制只能分別獨立進行操作，采用點對點的連接方式在設備之間通過電纜進行互連，設備的種類較多并且數量較多，因此造成連線復雜、線纜數量多且空間占用較大[2]。

2.2 聯合式航空電子系統

二十世紀六七十年代，航空電子系統發展為一個聯合式的系統，提出了通過數據總線在各種子系統之間進行互連，通過數據總線進行綜合顯示以及控制，實現了信息共享，總的來說綜合化程度較低，綜合顯示以及控制雖然實現了，但是各種子系統的功能依然是獨立的，信號的綜合并沒有實現，總線數據傳輸帶寬也是有限的。

2.3 綜合式航空電子系統

二十世紀八九十年代，航空電子系統發展為一個綜合式的系統，“模塊”的概念在這一階段被提出，通過通用綜合處理模塊實現任務管理以及信息處理，系統的可靠性和總線數據的傳輸速率得到了一定的提高，但是信號的全面綜合仍然沒有實現。

2.4 先進綜合式航空電子系統

2000年以后，航空電子系統發展為一個先進綜合式的系統，在這一階段，要求實現信號的綜合，需處理數據量的劇增以及需傳輸多種不同類型的數據從而要求總線技術具有高帶寬和低延遲，采用統一網絡，使各種設備以及各種子系統進行互連實現數據的傳輸，降低系統的復雜程度，簡化結構，系統各方面的性能都得到了提高，實現了更高程度的綜合[3]。

3 典型的航空電子數據總線技術

航空電子數據總線技術，其實就是一種具有實時性能的網絡互連技術，通過數據總線將航空設備與各種子系統以及各種模塊互相連接起來形成一個完整的網絡系統，最終實現數據傳輸和信息共享[4]。航空電子數據總線技術在航空領域已經得到了非常廣泛的應用，并且已經延伸到艦船、坦克、飛船、汽車等多種領域。

3.1 MIL-STD-1553B總線技術

MIL-STD-1553B的全稱為飛機內部時分制指令/響應式多路傳輸數據總線。在美國軍方和工業界的大力支持下，美國多路復用技術航空委員會經過研究于1973年推出了MIL-STD-1553標準，經過改進于1975年推出了MIL-STD-1553A標準，后續經過進一步完善于1978年推出了MIL-STD-1553B標準[5]。于1997年，參照MIL-STD-1553B，我國制定了與之相對應的GJB289A-97。總線傳輸系統由終端和線纜兩部分組成，終端之間通過線纜進行數據傳輸，終端由總線控制器、遠程終端、總線監視器三部分組成，終端最多可以掛接32個。總線傳輸速率可以達到1Mb/s。總線按指令/響應的方式進行操作，這種結構要求由總線控制器對整個總線系統進行集中的控制管理，系統中的其他終端在得到指令之后，才允許做出相對應的響應，這種操作方式將會避免總線上碰撞的發生。總線以半雙工的方式進行傳輸，調制方式為脈沖編碼調制，應采用曼徹斯特Ⅱ型雙相電平碼。采用雙冗余的總線型拓撲結構，可以提高系統的可靠性和穩定性，第一條總線用于傳輸數據，當第一條總線出現故障的時候，處于熱備份的第二條總線就會進入工作狀態，保證系統正常工作。在軍事以及工業等領域應用非常廣泛，尤其是在戰斗機、轟炸機系統中。但其也存在一定的缺陷，總線控制器的集中控制將會給整個總線傳輸系統帶來潛在的單點故障問題，總線帶寬的有限將無法滿足對于高速數據的傳輸以及大數據量的傳輸，這在一定程度上制約著航空電子系統整體性能的提升。

3.2 ARINC429總線技術

ARINC429的全稱為數字式信息傳輸系統。于1977年，ARINC429由美國航空電子工程委員會提出繼而發表并最終獲得批準投入使用。于1986年，參照ARINC429，我國制定了與之相對應的HB6096-SZ-01。在總線傳輸系統中總線結構比較簡單，一共包括兩種傳輸設備，分別為發送設備和接收設備，以單向的傳輸方式進行數據的傳輸，數據流只可以從發送設備向接收設備傳遞，保證了數據傳輸的可靠性，發送設備只可有一個，接收設備可有多個，但其在數量上最多不可超過20個[6]。數據流是不能返回到發送設備之中的，如果總線傳輸系統中需要在兩個設備之間進行數據流的雙向傳輸，可以通過在每個方向上分別使用獨立的總線來實現傳輸。總線采用的是非集中的控制方式，不存在總線控制器這一設備，不會使系統存在單點故障這一問題，使總線上的信息得以有序傳輸并且不會相碰。總線傳輸速率有低速和高速兩種速率之分，系統在低速狀態下工作時，速率可以達到12～14.5Kb/s，常用于傳輸一些比較重要的數據和信息;系統在高速狀態下工作時，速率可以達到100Kb/s，常用于傳輸一些重要性一般的數據和信息。在民航客機領域得到了非常廣泛的應用。其存在的缺陷是總線傳輸速率有限，單向的傳輸方式雖然使數據傳輸具有了一定的可靠性，但是一旦傳輸設備數量增加會使線纜的數量、重量、長度以及占用空間也隨之大大增加，制約著航空電子系統的高效性和簡約性的提升。

3.3 FC總線技術

FC的全稱為光纖通道。于1988年，FC由美國國家標準委員會開始制定。FC將計算機網絡技術與通道技術相結合，是一種應用于計算機以及I/O設備之間通信的高速串行通信標準。光纖通道與網絡開放系統互連模型相類似，采用了分層的結構將協議分為五個層，分別為物理鏈路層、編碼/解碼層、鏈路控制層、公共服務層和映射協議層，每個層實現不同的功能，相互獨立[7]。拓撲結構非常靈活，點到點型、交換式型以及仲裁環型是FC標準定義的三種基本拓撲結構，并且通過這些結構可以構建出其他復雜的結構，例如含有環的交換網絡、基于電路交換的環等結構，從而可以滿足不同系統的需求。在數據通信的過程中可以很好地實現單工、半雙工和全雙工三種通信方式。支持遠距離高帶寬傳輸，數據傳輸距離最長可以達到10Km，數據傳輸速率可以達到1Gb/s以上。光纖通道其實是一個通信協議族，包含大量且復雜的標準文檔，FC-AE和FC-AV兩大協議在航空電子系統中應用較多。FC具有遠距離、高帶寬、高可靠性、拓撲結構靈活等特點，對于各種沒有壓縮處理的數據、音頻、視頻等可以進行高效傳輸，可以滿足現代航空電子系統對于數據傳輸的需求。

3.4 TTE總線技術

TTE的全稱為時間觸發以太網。TTE由奧地利TTTech公司提出并制定。TTE其實就是在普通以太網的基礎上實現一種時間觸發網絡協議。普通以太網采用的觸發機制為事件觸發，控制信號來自于某一事件的發生，時間是不可預知的，事件發生是不確定的，多任務的進行有可能會造成資源訪問的沖突，優先級高的任務會被優先得到保障，優先級低的任務得不到保障，沖突的發生會造成延遲以及抖動的產生，從而系統的確定性、可靠性以及實時性在一定程度上降低了。基于時間觸發機制的網絡，通過時間進程驅動通信過程，觸發因素穩定，系統行為確定，各個結點在相應的時間槽完成相應的操作，各個結點之間不會發生沖突，通信延遲以及時間偏移的確定性得到比較好的保證，從而使網絡具有確定性、可靠性以及實時性等特點[8]。拓撲結構采用星型拓撲，總線網絡是基于交換機進行互連的，整個總線網絡至少包含一個交換機以及多個端系統。在同一個網絡平臺上，可以兼容三種不同類型的數據流：普通網絡數據流、AFDX數據流以及TTE網絡數據流。傳輸速率可以達到1000Mb/s，目前也在研究開發更高傳輸速率的總線網絡。TTE在確定性、可靠性、實時性、兼容性等方面占據了很大的優勢，在大中型飛機的綜合化控制系統中應用非常廣泛，并且在汽車網絡領域也得到了比較廣泛的應用。

4 總結

航空電子系統在可靠性、實時性、擴展性、安全性以及傳輸速率等方面有嚴格的要求，在選擇和使用航空電子數據總線技術時，必須結合航空電子系統相關的要求以及具體的需求進行合理的選擇。MIL-STD-1553B和ARINC429兩種總線技術傳輸速率有限，在可靠性以及穩定性方面具有一定的優勢，可以應用于數據傳輸要求不高的環境中，但對于現代航空電子系統而言，不能完全滿足其發展的需求。FC和TTE是兩種新型的航空電子數據總線技術，各個方面性能都得到了提升，主要體現在數據傳輸速率、可靠性以及實時性，可以滿足現代航空電子系統的需求，將成為目前以及未來的主流技術，具有很大的研究意義和廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1] 李林劍.綜合模塊化航空電子系統[J].科技視界，2016（13）：131-132.

[2] 吳志軍，楊勝學.航空電子系統發展及展望[J].科技資訊，2014，12（3）：33-34.

[3] 姜震，熊華鋼，邵定蓉.未來航空電子高速數據總線技術的研究[J].電光與控制，2002，9（3）：18-22.

[4] 陳斌.航空數據總線技術分析與發展[J].數字通信世界，2019（11）：146.

[5] 劉士全，雋揚，蔡潔明，等.1553B總線應用發展研究[J].電子與封裝，2013，13（12）：12-15.

[6] 張森，嚴小雙，晏愷晨，等.機載總線技術應用綜述及其對飛機性能的影響[J].電子世界，2019（21）：37-38.

[7] 劉娟.光纖通道的核心技術研究與實現[D].西安：西安石油大學，2010.

[8] 朱聞淵，尹家偉，蔣祺明.新型航空電子系統總線互連技術發展綜述[J].計算機工程，2011，37（S1）：398-402.

【通聯編輯：梁書】