AFDX与1553B机载数据总线对比分析研究

孟 军，江 涛，周 龙，樊 伟，陈 英

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

机载数据总线技术是指机载设备、子系统直至模块之间的互连技术。总线技术本质上是一种实时网络互连技术。总线技术的出现是从系统工程的角度统筹设计航空电子系统的结果，目的是通过数据总线将飞机上各计算机构成信息网络，实现信息的有效传输、共享，实现座舱的综合显示和控制，从而形成综合化的航空电子系统。

机载数据总线作为航空电子系统的“骨架”和“神经”，对航空电子系统起着至关重要的作用，与航空电子技术的发展同步进行，相互促进。因此，数据总线技术在很大程度上提高了飞机的性能，而且也扩大和提高了飞机完成任务的能力[1]，是航空电子技术领域研究的热点[2-6]。

本文阐述了航空机载数据总线两种典型代表——1553B总线与AFDX总线，并不是从协议、技术特点及应用现状进行泛泛的对比，而是对两者的信息传输方式、网络结构、网络设计要点进行详细讨论，并从工程实践的具体实施角度对其进行比较，特别是和航电系统的接口控制文件、总线表/配置表的设计相结合，以期对航电系统顶层设计提供一些借鉴和启示。

1 两种数据总线介绍

1.1 1553B

1553B总线由美国自动化工程师协会于1978年发布，全称为飞机内部时分制指令/响应型多路传输数据总线，我国与之对应的标准是GJB289A-97。该总线采用冗余的总线型拓扑结构，传输数据率为1Mb/s。该总线技术首先被应用于美国空军F-16战斗机，在过去的近40年中，它被成功应用于多种战机以及导弹控制、舰船控制等领域。1553B总线网络的基本结构如图1所示，由终端和屏蔽双绞线组成。

图1中，总线控制器（BC）控制总线操作，且通过数据总线与最多30个远程终端（RT）通信。

图1 1553B总线网络典型结构图

1553B主要特点有：

1）网络的消息传输由BC的总线表统一控制，严格定义了全网络中每条消息的长度，以及发送和接收的顺序、过程；

2）传输方式为半双工方式，一个终端不能实现同时接收与发送数据；

3）总线可挂接32个终端，各终端之间信息传输方式有：BC到RT，RT到BC，RT到RT，广播方式和系统控制方式；

4）总线上的信息流由3种类型的字消息组成：命令字、数据字（最长为32字节）和状态字，并有同步位和校验位；

5）采用双冗余工作方式，第二条属于备份，即当前路径不通才启用第二条；

6）传输速率为1 Mb/s；

1.2 AFDX

AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet航空电子全双工交换式以太网)是空客公司在商用交换以太网的基础上建立起来的。空客公司根据航空电子的需求，在实时性、可靠性等方面进行了改进，从而形成了旨在航空子系统之间数据交换而定义的一种电子特殊协议标准(ARINC664 Part7)[6]。AFDX网络为星型拓扑结构，总线网络的基本结构如图2所示，主要由端系统(end-system)、AFDX交换机(switch)以及传输链路（逻辑上的虚拟链路，消息传输的载体）组成。

AFDX的主要特点如下：

图2 AFDX总线网络结构图

1）网络的消息传输参数由交换机中的配置表定义，配置表在启动时装入交换机中，即消息的路由是静态分布的，消息的传输由各端系统自由独立发起；

2）物理层的连接介质是两个双绞线对，一对用于发送，一对用于接收，从而实现全双工通信；

3）网络连接采用星型拓扑结构，每个交换机最多连接24个终端节点，交换机可以级联以实现更大规模的网络；

4）AFDX的虚拟链路都有带宽分配间隔和最大的帧长度（最多支持1471字节），传输过程中引起的抖动有一定的范围限制，网络的最大传输延迟都可以得到控制，从而保证了传输的确定性；

5）AFDX网络引入了余度的概念，数据帧可以同时在两条独立的路径上传输，接收端系统只接收先到达的有效帧，这就显著提升了系统的可靠性；

6）带宽高，网络传输速率可选择10 Mb/s或者100 Mb/s，缺省为 100 Mb/s。

2 分析比较

2.1 消息传输与控制

数据总线的功能就是在航电系统的设备/模块之间传输消息，该功能的完成需要总线的协议和航电系统各设备/模块之间的接口控制文件来共同支撑。协议只是定义了传输的规则，根据功能定义的接口控制文件则包含了传输消息内容。

1553B总线是一个指令-响应系统，在这种系统中，消息传输总是在总线控制器的控制下进行。设计人员根据接口控制文件的消息内容和属性，编制总线表，总线表里严格定义了每一条消息的长度、发送控制、接收处理、数据地址等参数。总线控制器在运行总线表过程中，顺序执行（时分制的含义所在，这也决定了其通信方式为半双工）总线表中的每一条指令，每一条指令完成一次消息的传输（如果该条消息需要被传输，即BC查询到RT有传输请求或BC发起传输过程）。由于协议的特点，每条消息包含的数据最多为32字节，且每个RT发送/接收的消息地址最多为30个。这对接口控制文件的设计提出了较高的要求：1）如果需要传输的字节长度超过了32字节，必须将消息拆分，这就会更多的占用仅有的30个存储地址；2）如果该RT需要传输的消息数量超过了30，则必须采用逻辑消息的设计方式，即多个逻辑消息共用一个存储地址，但是必须在功能上确保这些逻辑消息不会同时传输，否则会发生数据覆盖。

AFDX总线在本质上是交换式网络，消息传输完全是各端系统发起，由1.2节可知，采用了两对物理接线，每个端系统都可以实现同时发送、接收消息，即实现全双工通信而不会碰撞。AFDX接口控制文件设计的所有数据块在网络中传输时，需要进行网络配置，即产生每一个数据块的源UDP、源IP、虚拟链路（VL）、目的IP、目的UDP。网络配置以配置表形式驻留在每一个AFDX设备端系统中，交换机驻留有全网络的规划通信通路，因此AFDX网络采用静态路由机制，以交换配置表为依据，实现网络通信和数据转发。AFDX的这种网络特性从很大程度上给接口控制文件的设计带来了便利：1）消息的长度不再受限制，AFDX数据帧一次可以传输1471字节，即使超过了，也可以采用分片的方法进行多次传输；2）单个端系统传输的消息个数不再受限制（考虑硬件实际性能，一般不超过128条虚拟链路，考虑到每条消息的长度很大，全部消息的容量完全满足使用需求）。

通过上面分析可以看出，1553B总线在消息的传输控制上十分严格，这样的优点在于网络通信具有高稳定性，但是其对接口控制文件的设计具有较高的要求，且消息的设计不够灵活。例如，如果一个RT发送同样的内容至另外多个RT，需要在总线表里分别定义指令来分时传输；而AFDX网络凭借虚拟链路“一源多址”的特点可同时转发。

2.2 航电系统控制器余度设计

这里的控制器是从航电系统的功能角度来描述的，控制器在航电系统中承担大量的飞行任务执行、管理以及全网络的数据传输调度（如果总线类型为集中控制式，如1553B）等工作，如果控制器一旦失效，则会对整个飞行任务造成不可估量的损失，所以系统大多会将关键的控制器设计成双备份，以提高整个系统的可靠性。

在1553B总线网络里，总线控制器（BC）同时又是航电系统的控制器，这样整个总线系统的通信是在航电控制器的指挥下进行的，这给总线网络带来潜在的单点故障，一旦总线控制器失效，将造成整个总线系统的瘫痪。因此，1553B总线一般采用双机冗余的设计方案，即指定总线上的一个远程终端为备份BC，正常情况下备份BC执行RT功能，当BC发生故障时，备份BC重新进行初始化并执行BC功能。由于BC和备份BC的软件不同，执行的功能不同，需要在系统设计中考虑两者的故障检测、状态监控和数据同步等。

AFDX网络中由于没有集中式的通信控制器，因此每个端系统都可以作为航电系统的控制器，从而控制器余度设计可以采用热备份，即两台控制器任一台均可成为主控制器或备份控制器，两者运行的软件完全一致。考虑热备份数据的备份与恢复需要，在系统正常运行的情况下将数据进行实时保存处理。在网络配置时，将其他端系统状态数据同时发送至两个控制器，依据虚拟链路的特性，允许从一个源到多个目的端系统，在AFDX网络中完全可以实现。并且，在控制器切换中，由于不需要重新初始化与数据恢复，切换的时间更短。

2.3 网络可靠性

为了提高1553B数据总线工作可靠性，通常采用双冗余方式，如图1所示。实际使用中，第二条总线处于热备份状态，即总线控制器根据远程终端响应的状态字情况来决定使用哪一个余度，如果初始化的那条余度一直有状态字应答，BC会一直使用该余度来管理消息传输；如果该余度状态字无应答，则BC会切换至另一条余度来管理消息传输。

AFDX网络采用另一种意义上的双余度方式传输，如图2所示，每一个端系统均有两个物理端口，分别连接网络中的A和B两个余度网络进行数据传输。端系统发送数据时，由通信协议堆栈为每一个数据帧增加一个序号，序号连续递增。数据帧在两个余度网络上传输，在接收端，通信堆栈按照先到原则，将任一网络上接收到的带有有效序号的第一个帧传输至应用程序，接收到的带有相同序号的第二个帧被忽略。这样，对于任何的网络组件的失效，例如：一段链路或一台交换机的失效，数据流可以得到保护，从而实现AFDX网络的余度通信。

2.4 扩展性

航电系统是飞机上发展更新最为活跃的系统，航电系统升级是维持飞机先进性的重要手段，除此之外，航电系统功能特别是人机界面的更改是非常频繁的，因此要求总线网络具有良好的扩展性。这里的扩展性不仅仅是指网络节点的增加，实际上更多的是关注消息的增加和更改。

对于1553B总线来说，最多支持31个远程终端，如果再增加远程终端，则需要进行二级总线的设计，较为复杂；对于AFDX总线，每台交换机可以连接24个端系统，通过交换机的级联可实现扩展，级联只是物理链路上的实现，不会额外增加系统设计复杂度。

至于更加常见的消息改动，对于1553B总线来说，需要谨慎设计接口控制文件和修改总线表，尤其是考虑不能超过消息长度的限制和消息个数的限制，且总线表修改了以后，整个网络的消息在总线表里会重新组织排布，需要重新验证整个航电系统的通信与功能；对于AFDX总线，则需要将新增的消息路径参数定义在配置表里，会影响参与通信的端系统的配置表和交换机的配置表，无需重新测试整个网络的功能。从这个角度来说，AFDX网络的功能扩展更加方便。

3 结语

从实践的角度比较结果来看，AFDX在高带宽、冗长传输、冗余链接、重构能力、设计的灵活性等方面具有优势，1553B在稳定性和可靠性 (从消息的控制角度)方面具有较大的优势，仍可用于分布距离较短的机载、舰载环境以及对数据传输要求一般的环境。

因此，在机载数据总线的选择和使用上，除了考虑其功能、性能指标、可靠性、维修性和价格等因素，更重要的是结合飞机自身的任务特点与信息构成，作出适合飞机的选择。