航空航天数据总线技术发展综述

1、航空航天数据总线技术发展综述综述170年代以来，随着微电子、计算机、控制论的发展，使得航空电子系统的发展更为迅速。1980年美国专门制定了军用1553系列标准和ARINC系列标准，使数据总线更加规范化。目前自动化程度较高的军、民用飞机，如F-16、F-117、幻影2000、空中客机A340等都采用了数据总线技术。数据总线技术在我国航空电子系统设计中已有十几年的设计和使用经验，本文针对具有代表性的总线标准，包括MIL-STD-1553B、ARINC429、MIL-STD-1773、ARINC629、STANAG3910、RS485及CAN总线技术进行介绍。1.MIL-STD-1553BMIL-S

2、TD-1553B总线全称为飞行器内部时分命令/响应式多路数据总线,它由美国自动化工程师协会在军方和工业界的支持下制定,正式公布于1978年,1986-1993年进行了修改和补充。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,传输数据率可达1 Mb/S，足以满足第三代作战飞机的要求。1553B总线系统主要由总线控制器BC和远程终端RT和组成，其字长度20bit，数据有效长度为16bit，半双工传输方法，双冗余故障容错方式，传输媒介为屏蔽双绞线，1553B总线的冗余度设计，提高了子系统和全系统的可靠性。1553B总线的主要功能是为所有连接到总线上的航空电子系统提供综合化

3、、集中式的系统控制和标准化接口。该总线技术首先运用于美国空军F-16战斗机。在过去的30年中,MIL-STD-1553B已成功地应用于多种战机,并且成功应用于其它控制领域,如导弹控制、舰船控制等，在海军和陆军的武器和维护系统中已经开始采用1553B总线。随着国防现代化的建设和武器系统的升级换代，我军也开始将1553B协议大量应用到武器系统的设计中。2.ARINC429ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会（Airlines Engineering Committee）于1977年7月发表并获得批准使用的,它的全称是数字式信息传输系统(DITS)。协议标准规定了航空电子设备及有关系统间

4、的数字信息传输要求。ARINC429广泛应用在民航客机中,如B-737,A310等,俄制军用飞机也选用了类似的技术。我国与之对应的标准是HB6096-SZ-01。ARINC429总线是面向接口型数据传输结构,总线上定义了2种设备,发送设备只能有1个,而接收设备却可以有多个。发送设备与接收设备采用屏蔽双绞线传输信息,传输方式为单向广播式,调制方式采用双极性归零制三态码,传输数据率可达100 Kb/s。ARINC429总线结构简单、性能稳定、抗干扰性强、具有高可靠性等优点。3.MIL_STD_17731988年,美国国防部发布了新的军用标准即MIL_STD_1773（飞机内部时分制指令/响应多路传

5、输数据总线）,这个标准主要是对MIL_STD_1553在传输介质上的一个改进,其利用光纤传输介质来取代屏蔽双绞线以及电缆,其他的高层协议与MIL_STD_1553B相同。MIL_STD_1773数据总线在20世纪90年代已被美国国家航空航天局(NASA)和海军(NAVY)所使用,其中, F-18战斗机就使用这一标准。目前,MIL_STD_1773已发展到了双速率、高速度的阶段,其中,波音(Boeing)公司研制了基于MIL_STD_1773标准的双速率的收发器(具有1 Mb/s和20 Mb/s两种速率) ,其中1 Mb/s主要用于MIL_STD_1553B总线,而20 Mb/s主要用于高速数据

6、传输。4.STANAG 3910在20世纪90年代初,北约(NATO)在研制欧洲新一代战机时,提出了一种新的数据总线欧洲标准即STANAG3910,这种标准主要是用来改进机载数据总线的传输速率,以适应新一代战机的发展要求。STANAG3910也是一种指令/响应协议,采用双速率传输总线结构。高速通道具有20 Mb/s的传输速率,以满足现今绝大多数战机航电子系统之间高速通信的要求,而低速率的MIL-STD-1553B通道主要控制高速率的通信。使用相同的传输介质可以连接STANAG3910系统和MIL-STD-1553B系统,这样就可以很方便地对MIL-STD-1553B系统进行升级改进,并且20

7、Mb/s的高速通道既可采用光纤也可采用同轴电缆作为其传输介质。使用STANAG3910可以非常有效地对现有MIL-STD-1553B系统进行升级,以提供高传输速率来满足未来战机的发展需要。这样就可以提高MIL-STD-1553B系统的使用寿命,在新一代战机所要求的高速数据总线和航空电子系统通信稳定性(使用MIL-STD-1553B总线的系统性能非常稳定)上取得较好的结合点。事实上,欧洲2个军用战机项目均使用了该总线技术,如:英国、德国、意大利、西班牙联合开发的欧洲战斗机(EFA)以及法国单独研制的RAFALE战斗机。5.RS485总线RS485是串行数据接口标准，由电子工业协会(EIA)制订并

8、发布的，它是在RS422 基础上制定的标准，RS485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器驱动总线，其最高传输速率为10Mbps。RS485 为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。RS485 有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现已很少采用。在监控装置的RS485 通信网络中采用的就是这种主从通信方式，即一台上位机（主机）带多个传感器（从机）的控制方式。RS485总线接口作为多点、差分数据传输的电气规范，现已成为业界应用较为广泛的标准通信接口之一。RS485串行数据总线具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等优点使其在工业控制领域、汽车、

9、舰船系统中得到广泛应用。6.ARINC629ARINC629总线是波音公司为民用机开发的一种新型总线数字式自主终端存取通信(digital autonomous terminal access communications,DATAC),这种总线技术在ARINC429的基础上，结合1553B的优点开发出来的，其总线传输率为2 Mb/s,线性拓扑结构,基本能满足现代航空电子系统高速数据的传输要求。与1553B相同，它也采用了双向传输，传输时采用曼彻斯特码II型双相电平码，而且还进一步使用量电流型耦合器。与1553B所不同的是，它不再采用集中式控制，因而无需总线控制器，不存在又要总线控制器失效而造

10、成全系统瘫痪的问题。比较而言,ARINC629具有自主控制、可双向传输、连接简单、“插入式”兼容等特点，因而在波音-777上得到了广泛的应用,成为机上信号处理、航空电子系统、动力系统、飞机构架系统及自动驾驶仪通信的基础。可以说，ARINC629总线的推出以及在B777飞机上的应用将使用数据总线技术的发展进入一个新的时代。7.CAN总线技术CAN(控制器局域网)总线是当前现场总线具有代表性的一种总线，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线。

11、其通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbits。CAN总线通信接口集中了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工作。航空航天领域使用的总线系统要求具有很高的实时性、可靠性和抗干扰性能等，CAN总线自身存在的一些问题限制了它在这一领域的应用：不可预测性。CAN总线采取多主竞发的形式，当遇到总线多个节点要求发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的节点变为总线主站。在极端情况下，具有较低优先权的报文可能在相当长一段时间内无法抢占发送权，报文延迟时间不可预知。信道出错堵塞。在节点有可能受干扰或其他原因暂时或

12、永久失效时，出错的主机会命令CAN收发器不断发送报文。该信息的格式等均合法，因此CAN没有相应的机制来处理这种情况。根据CAN的优先权机制，比它优先权低的信息就被暂时或永久堵塞。系统冗余支持。CAN是单条总线，而在航空航天领域的应用中，为满足苛刻的可靠性要求多采用双冗余甚至多冗余总线的方式。CAN本身并不包括像数据描述、站地址、连接导向协议等项目。它只规范了ISOOSI7层标准模型中的数据链路层和物理层，因此，必须通过开发CAN的较高层协议来解决这些问题。8.结 语航空航天电子系统选用数据总线需要综合考虑通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求,MIL-STD-1553B、ARINC42

13、9、MIL-STD-1773和ARINC629等数据总线技术,由于具有以上优点,在航空航天领域得到了非常广泛的应用。但随着技术的发展,通信速率达到数百兆以上的设备大量出现，以上介绍的数据总线技术已不能满足新型航空航天飞行器的发展要求，迫切需要新的技术支持，相关内容将在“航空航天数据总线技术综述（二）”中介绍。综述二在上一期的“航空航天数据总线技术发展综述（一）”中，我们主要介绍了MIL-STD-1553B、ARINC429、MIL-STD1773、ARINC629、CAN总线等中低速的航空航天数据总线技术，本期将针对IEEE1394、FDDI、LDPB及SpaceWire等部分中高速数据总线技

14、术进行详细介绍。1.IEEE1394总线IEEE1394是由IEEE制定的一种高性能串行总线标准，又名火线(FireWire)。IEEE 1394协议分为1394a、1394b等，其中1394b可支持高达3.2 Gbps传输速率，并支持光纤传输。IEEE1394作为商用总线，近年来发展迅速，不仅在工业和测控领域被广泛应用，而且已经逐步深入到航空航天及军事应用领域。基于1394b的光纤总线系统具有计算能力强、吞吐量大、可靠性高、易于扩展、维护方便、且支持点对点通信、广播通信及支持热插拔等优点，为多模态传感系统、在线实时检测和视频图像传输提供了广阔的空间。因此，基于1394b光纤总线的军事应用，对

15、于提高武器系统打击精度、机动性和快速性具有重要意义。IEEE1394b已经使用在军用飞机上，并作为F22猛禽战机上的视频总线，同时也在F35上有所使用。2.FDDI总线光纤分布式数据接口( FDDI: Fiber Distributed Data Interface) 高速总线由美国海军研究中心提出,由美国国家标准局（ANSI）于1989年制定的一种用于高速局域网的MAC标准。FDDI是一种按令牌协议传输信息、实现分布式控制、分布式处理的光纤介质总线网络系统。“令牌”是一个特别定义的信息帧，只有令牌明确寻址的终端才可在总线上发送信息，对总线上每个终端都给定一个握有令牌的时间期,在终端握有令牌的

16、时间期内, 终端主控工作, 可发送信息给其他终端。FDDI传输速率可达100Mbps，FDDI具有传输速率高、传输距离长、覆盖范围大、可靠性高、安全性高、支持可动态分布传输的特点，因此在上世纪90年代作为先进的光纤组网技术得到了发展与应用。FDDI主要用于海军作战系统，已经应用于舰载作战情报指挥系统（C3I）的海军第三代ZKJ-7上，并且还应用于国际空间站中。3.LTPB总线技术LTPB(LinearToken Passing Bus)是由国际自动机工程师学会（SAE International）制定的军用数据总线，定义了令牌消息、站管理消息、数据消息三种消息类型，其数据传输速率为50Mbit

17、/s，最多可连接128个终端，消息最大长度为4096个字。从物理上看，LTPB是星型拓扑结构，易于监控网络上信息的传送及整个网络的状态，从逻辑上看，它按站点地址递增顺序形成环型拓扑结构。线性令牌传输数据总线( LTPB)采用令牌传输协议,不需总线控制器,实现了真正的分布式控制、分布式处理。LTPB总线技术采用光纤传输介质,具有很强的抗电磁干扰能力，其传输总线为广播式总线。LTPB对应的标准为SAE AS4074.1，应用于RAH-66、F-22“猛禽”第4代战斗机中。4.SpaceWire总线SpaceWire是欧洲航天局开发的一种高速、点对点、全双工的串行总线网络，以IEEE1355-199

18、5 和LVDS 两个商业标准为基础，汲取了1394技术、ATM技术、以太网技术的优点，同时考虑了空间应用的特点，在故障检测与时间确定性方面做了加强。SpaceWire最高速度可以达到400Mbps，是目前在航天领域应用较广泛的高速数据总线，已成功应用于火星探测器“Mars Express”项目、彗星探测器“Rosetta Spacecraft”项目和地球环境遥感卫星“Cryosat”项目等。SpaceWire采用点到点连接的结构，在同一网络中可以同时使用多条总线，其网络拓扑具有很高的自由度。SpaceWire得到较广泛的应用不仅是由于它是一种简单、可靠、低功耗数据传输技术，另外他也采用了符合当

19、前数据传输发展方向的包交换技术。相比与CSMA/CD以太网、IEEE1394等总线型数据传输技术中数据速率不可能超过连接性能的情况，其优点是网络中节点的增加不会导致节点可用带宽的降低，为系统的扩展提供了充分的余地。SpaeceWire网络是一种正在不断发展、完善中的高速数据传输技术，新的补充协议加入到协议簇中，新的应用产品也不断出现。这种采用交换机制的高速串行全双工技术为载荷数据处理系统向低功耗、可靠、可重用新结构的发展提供了有效的手段。5.中高速数据总线对比各种总线的对比分析如下表所示，尽管IEEE1394目前还没有被广泛应用，但是其在数字成像领域内的重要作用已经为世人所关注；FDDI和LT

20、PB总线不但都实现了高速化和光纤化，而且是完全的分布式控制模式，且FDDI技术已得到商业领域的广泛应用与验证，较LTPB技术风险小、投资少、研制周期短，但100Mbps的传输速率也越来越不能满足更高速的数据传输；从欧美对这些高速总线的应用与研究情况来看，航天领域尤其深空探测领域使用较多的高速总线是SpaceWire总线，但传输距离较短，最大只有10米。表1.各种总线对比分析类目IEEE1394FDDILTPBSpaceWire拓扑结构点对点、总线型反向双环网星型、环型点对点、星型传输速率1.6Gbps、3.2Gbps、800Mbps100Mbps50Mbps2至400Mbps传输距离4.5m最

21、大距离2km最大距离1km10m传输介质光纤光纤光纤光纤高特点计算能力强、吞吐量大、可靠性高、易于扩展、维护方便传输速率高、传输距离长、覆盖范围大、可靠性高、安全性高、支持可动态分布传输强容错和系统重构能力，抗电磁干扰结构简单、可靠性、低功耗6.结语航空航天电子系统选用数据总线的基础是该总线标准是否满足系统的通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求。本期详细介绍了IEEE1394、FDDI、LDPB、SpaceWire等部分高速航空航天数据总线，并对所介绍中高速数据总线进行了对比分析。高速航空航天数据总线技术是满足未来航空航天任务需求的重要技术手段，因此，我们将在下期继续介绍当前流行的高

22、速航空航天数据总线技术，敬请进一步关注。综述三在上一期的“航空航天数据总线技术发展综述（二）”中，我们主要介绍了IEEE1394、FDDI、LDPB及SpaceWire等部分高速航空航天数据总线技术，本期将针对AFDX、TTE、Ethernet及FC总线等通信速率达到百兆以上的高速数据总线技术进行详细介绍。1、AFDX总线技术航空电子全双工交换以太网（AFDX：Avionics Full-Duplex Switched Ethernet）是基于标准（IEEE802.3以太网技术和ARINC664 Part7）定义的电子协议规范，主要用于实现航空子系统之间进行的数据交换。AFDX是通过航空电子委

23、员会审议的新一代机载以太网标准，AFDX允许连接到其他标准总线如ARINC429和MIL-STD-1553B等，并允许通过网关和路由与其他的适应ANIRC664但非确定的网络通讯。AFDX是大型运输机和民用机载电子系统综合化互联的解决方案。AFDX的传输速率可达100Mbps甚至更高，传输介质为铜制电缆或光纤。AFDX中没有总线控制器，不存在1553B中集中控制的问题。同时，AFDX采用接入交换式拓扑结构，使它的覆盖范围和可支持的节点数目远远超过了1553B总线。AFDX的主要特点如下：(1) 全双工:物理层的连接介质是两个双绞线对，一对用于接收，另一对用于发送；(2) 交换式网络:网络连接采

24、用星型拓扑结构，每个交换机最多可连接24个终端节点，交换机可以级联以实现更大规模的网络； (3) 确定性:网络采用点到点网络，通过使用虚连接以保证带宽；(4) 冗余:双重网络提供了更高的可靠性；(5) 网络传输速率可选择10Mbps或100Mbps 。 空中客车公司在最新研制的A380飞机上就率先采用AFDX总线，同时波音公司在最新研制的787和747-400ER飞机中也采用了AFDX作为机载数据总线。2、TTE时间触发以太网(TTE，Time-Triggered-Ethernet)，即以时间触发代替事件触发，将通信任务通过合理的调度定时触发发送。时间触发概念的提出，其目的是在于通过全局时钟精

25、确同步，可有效避免数据帧争用物理链路，保证通信延迟和时间偏移的确定性。时间触发与事件触发相比在系统确定性、资源损耗、可靠性、实时性上有很大优势。TTE总线技术具有高数据量、高实时性等特点，能适应分布式综合模块化航空电子架构的发展。TTE网络是在标准IEEE802.3以太网上实现的时间触发网络协议，可作为完全分布的、严格确定性的安全关键性计算及联网平台，目前支持100Mb/s和1000Mb/s速率，10000Mb/s速率的TTE网络也在开发过程中。TTE总线技术兼容了时间触发协议和以太网技术的优势，能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流、AFDX数据流和TTE网络数据流，具备更高的安全性和强有

26、力的容错机制，拥有非常广阔的应用前景，有望作为AFDX互连的子集，在大中型飞机的综合化互联中扮演重要角色。目前，美国航天局已将TTE的一些技术应用在了猎户座载人探索飞行器上（Orion Crew Exploration Vehicle）。3、Ethernet在地面局域网中，以太网是首选的局域互连技术，速率从百兆到千兆，正向万兆以太网技术发展。Ethernet来源于商业应用，虽没有军品级器件，但商业支持非常强，被NASA 推荐为将来可在空间应用的总线之一。国际空间站与一些小卫星上已采用过这种总线。目前，用于解决地面局域网宽带接入问题的是无源光网络技术（passive optical networ

27、k，简称“PON”），近十年来随着光通信技术的成熟，PON 技术开始走上了大规模的应用，可解决接入网的带宽瓶颈问题。其传输速率支持上下行对等1.25Gbps，或下行2.5Gbps、上行1.25Gbps ，目前最高支持上下对等10Gbps的带宽；PON技术是一种点对多点的结构，下行方向（网络到用户）采用TDM广播机制，上行（用户到网络）采用TDMA 复用方式，因此下行方向具有共享媒介的特性；并采用单模光纤作为传输介质，传输距离最大可达10km20km；采用无源的光分路器取代了有源复用器或交换机，简化了光纤分配网的设计，提高了传输链路的可靠性，因此便于运行、维护和管理并且成本低廉等特点。不论在国内

28、还是国外，无源光网络技术因其独特的优势都在大规模商用，中国电信与中国联通以EPON 为主进行接入网部署，日本和韩国当前也均以EPON为主，北美和中东以GPON为主。EPON和GPON，尤其是 EPON在商用领域的产业链已经走向成熟。4、FC总线光纤通道（FiberChannel ，简称FC）是美国国家标准委员会（ANSI）的X3T11 小组于1988年开始制定的高速串行传输协议，将计算机通道技术和网络技术有机结合起来，具有全新概念的通信机制。FC采用通道技术控制信号传输，在共享介质时采用基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制和基于信用（Credit）的流量控制策略，信道的传输效率较高，适用于网络负载较重的应用系统中。 光纤通道的高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构和服务类型、支持多种上层协议和底层传输介质以及具有流量控制功能，使得它能够很好地满足未来航空电子系统互连