航空数据总线技术分析与发展

文/张青峰 葛晨 秦正运

1 引言

随着航空电子技术高速发展，航空电子系统结构经历深刻变革，呈现出高度信息化、综合化和网络化的发展趋势。机载电子设备或子系统之间数据传输、信息共享和任务处理的数据总量不断增加，提供高速、可靠的实时通信对航空数据总线提出了更高的要求，机载数据总线技术已成为现代先进航空电子综合化最重要的关键技术之一。

本文对航空电子体系结构发展进行了简要的介绍，阐述了几种典型的数据总线技术，并对协议规范、主要性能、应用情况等进行了对比分析。

2 航空电子体系结构发展概述

机载数据总线技术来源于航空电子综合系统的发展，航空电子系统结构发展先后经历了分立式、联合式和综合式三个阶段：分立式航空电子系统结构，分系统自成体系，设备和系统工作时是完全相互独立的，甚至执行任务有赖于飞行员的判断；联合式航空电子系统结构，将子系统通过总线实现系统互联，由中心控制计算机进行集中控制，实现资源共享和信息的综合显示；第三代综合式航空电子系统结构，提出“模块”概念，使用超级计算机构成通用信息处理模块，从而取代子系统，通用模块可以加载多种任务和功能，航空电子系统在信息处理方面实现了高层次的综合。

目前正过渡到先进综合式航空电子系统阶段，采用通用综合处理器技术，与传感器、飞行器管理系统提供、外挂管理系统之间的数据交换采用统一的高速率光交换系统，使飞机上各个系统处于同一个多处理网络中，统一航空电子互联接口支持共享内存体系结构，具有低延迟，实时性更好，接口更统一，利于维护、扩展和故障后重构。

表2：总线性能比较

3 典型的数据总线技术

随着航空电子系统发展，涌现了多种数据总线投入使用，其中典型的有 ARINC-429/629，CSDB，MIL-STD-1553B/1773、LTPB、FDDI、AFDX、FC等。下面将ARINC-429、MIL-STD-1553B、AFDX、FC 进行详细阐述和对比分析。

3.1 ARINC429数据总线

ARINC429 是美国航空无线电公司（ARINC）一种单向广播式的航空数据总线标准，以ARINC429 数据总线构成的系统是单信息源、多接收器的传输系统，通信时只有一个发送器，但可以有最多不超过20 个接收器。因此，进行双向通信则需在两端各自铺设一根传输总线。ARINC429 数据总线传输双极归零的调制信号，信号由高电平到零电平表示逻辑状态1，信号由低电平到零电平表示逻辑状态0。传输速率一般有100kbps 和48kbs 两种。传输协议采用带奇校验的32 位信息字，格式如表1所示。

数据传输顺序由第1 位依次发送至32 位，先传标号，后传数据。当传输数据时，优先传输最低位。而传输标号时，先传最高位后传最低位。

ARINC429 总线结构简单完善，性能相对稳定，可靠性高，价格低廉且易于认证。其缺点是带宽有限，延迟较高。因此，ARINC429应用于对数据带宽要求不严苛的场合。目前在运输机、民航客机和兵器等领域得到广泛应用。

3.2 MIL-STD-1553B总线

为适应工业和军事的需要，1973年，美军和政府共同推出一种多路数据总线电气特性和协议规范的军事标准，即MIL-STD-1553B总线。1553B 总线采用半双工传输方式，最多可挂机32 个终端，依据其功能作用分为总线控制器（BC）、总线监控器（BM）和远程终端（RT）。BC 负责引导总线上的数据流，是唯一可发布数据传输或控制管理指令的设备；BM 监听总线上的数据交换，用于对数据进行记录和分析；RT 是一个用户子系统，在BC的控制下发送或接收数据。1553B 总线采用曼彻斯特II 型编码，其消息分为指令字、数据字和状态字3种不同类型的字。每个字长20位，前3 位为同步头，接下来16 位为信息字段，在3 种字类型中各不相同，最后1 位为奇偶校验位。其定义如图1。

图1：1553B 字格式

使用1553B 总线传输数据，为提高其可靠性，一般使用双冗余总线。即一条总线工作时，另一条总线时刻处于热备份状态。

1553B 总线因其技术成熟，且具可靠性和灵活性，广泛应用与军事、工业和科技领域。

3.3 AFDX总线

AFDX 是基于IEEE-802.3 以太网技术，通过增加数据传输的确定性而发展的一种航空电子全双工交换式以太网，为关键系统提供高速且可靠的实时数据传输。传统的半双工以太网结构由于没有中央控制计算机，信息包在传输过程中会发生碰撞，导致非常大的延迟。为了避免这种状况，AFDX 借鉴异步传输模式ATM 的概念，采用了全双工的交换机，同时对以太网标准进行扩展，保证确定性的网络数据传输。AFDX 帧结构在IEEE-802.3 以太网帧的基础上，增加了一个SN（序列号）字段（占用一个字节长度），相应的IP/UDP 有效载荷长度减少一个字节，如图2所示。

AFDX 有效载荷长度范围为17 ～1471 字节，当载荷实际长度小于最小值时，则用0 在位后进行填充。新增的SN 字段用于实现虚拟链路上数据的顺序发送和检测数据帧是否丢失，从而保证接收端能够接收到完整的帧序列。

AFDX 网络传输速率可选择10MB/s 或100MB/s，其特点是采用全双工开放式系统架构，网络连接以交换机为中心形成星形拓扑结构，终端的网络配置参数在启动前就装入交换机中，与其它终端通过交换机进行数据交换和网络通信。AFDX 以两条相互独立的网络路径进行网络传输，接收端只接收最早到达的有效数据帧，同时因其提供有保证的服务，所以AFDX 网络具备一定的可靠性。

3.4 FC总线

FC 是美国标准化委员会（ANSI）1988年提出的高速串行传输总线，解决了并行总线在高速通信时遇到的技术瓶颈。FC 总线从下到上定义了5 个协议层，分别为FC-0、FC-1、FC-2、FC-3、FC-4，

FC-0 物理链路层定义了FC 通道的物理传输介质和传输速率等。FC-1 编码/解码层定义了总线传输协议，包括串行编码、解码规则和差错控制。FC-2 链路控制层定义了数据传输方式，以及帧格式、帧序列、通信协议和服务分类。FC-0、FC-1、FC-2 组成FC 通道的物理和信号接口（FC-PH）。FC-3 公共服务层对FC-PH 层以上的高层协议提供一套通用的公共通信服务。FC-4 映射协议层定义FC 通道的应用接口，规定了上层协议到FC 通道的映射。

图2：AFDX 帧格式

FC 总线定义了三种拓扑结构：点到点、仲裁环和交换式结构。传输速率可达1.062Gb/s，全双工可达2.12Gb/s，并且可通过多通道进行扩展。由于FC 总线高带宽、低延迟、拓扑结构灵活和支持多种上层协议等优点，FC总线恰好能满足航空电子系统日益增长的对数据要求高速和低延迟传输的需要。

4 分析比较

综合分析上述几种典型的航空数据总线，表2从传输速率、拓扑结构、传输距离和误码率等方面性能进行了对比。

通过对比可以看出，数据总线从较早的ARINC429 到1553B 再到FC 总线技术，总线的性能逐步提升。其中通信速率已达Gb/s 级别，最大节点数越来越多，连接方式更加灵活多样，传输距离更加长远，同时误码率和延迟也有相应降低，航空数据总线朝着高带宽、低延迟的方向不断发展，提供高速可靠的数据传输业务。

5 结束语

数据总线技术与航空电子技术发展同步进行，相互促进，已经成为现代航空电子系统综合化的关键技术之一，在很大程度上提升了飞机本身的性能和完成任务的能力。因此，选择和使用数据总线，应该综合考虑其传输速率、可靠性、维修性、实时性、价格比等多方面因素。

航空电子系统结构朝着信息化、综合化、网络化和智能化方向发展，AFDX 基于以太网的广泛商业应用，以其高速率和低成本的特性，适用于民用航空领域。ARINC429 和1553B 可以实现稳定和可靠的数据传输业务，可用于对数据传输要求一般的环境，但难以满足现代航空电子系统对数据传输的高要求。FC 总线以其独特的性能优势，能够提供高带宽、低延迟、高可靠性的信息传输保障，实现多种设备资源和信息的交互共享，充分发挥整个系统的效能，很好地适应航空电子系统结构的发展，在航空数据总线领域具有广阔的应用前景。