航空航天数据总线技术发展综述之欧阳育创编Word文件下载.docx
《航空航天数据总线技术发展综述之欧阳育创编Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空航天数据总线技术发展综述之欧阳育创编Word文件下载.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会（AirlinesEngineeringCommittee）于1977年7月颁发并获得批准使用的,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的数字信息传输要求。
ARINC429广泛应用在民航客机中,如B737,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HB6096SZ01。
ARINC429总线是面向接口型数据传输结构,总线上界说了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取屏蔽双绞线传输信息,传输方法为单向广播式,调制方法采取双极性归零制三态码,传输数据率可达100Kb/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_1773
1988年,美国国防部宣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,F18战斗机就使用这一标准。
目前,MIL_STD_1773已成长到了双速率、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1Mb/s和20Mb/s两种速率）,其中1Mb/s主要用于MIL_STD_1553B总线,而20Mb/s主要用于高速数据传输。
4.
STANAG3910
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成长要求。
STANAG3910也是一种指令/响应协议,采取双速率传输总线结构。
高速通道具有20Mb/s的传输速率,以满足现今绝年夜大都战机航电子系统之间高速通信的要求,而低速率的MILSTD1553B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MILSTD1553B系统,这样就可以很便利地对MILSTD1553B系统进行升级改进,并且20Mb/s的高速通道既可采取光纤也可采取同轴电缆作为其传输介质。
使用STANAG3910可以很是有效地对现有MILSTD1553B系统进行升级,以提供高传输速率来满足未来战机的成长需要。
这样就可以提高MILSTD1553B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MILSTD1553B总线的系统性能很是稳定）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、意年夜利、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）制订并宣布的，它是在RS422基础上制定的标准，RS485标准采取平衡式发送，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法，现已很少采取。
在监控装置的RS485通信网络中采取的就是这种主从通信方法，即一台上位机（主机）带多个传感器（从机）的控制方法。
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、价格昂贵、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、舰船系统中获得广泛应用。
6.
ARINC629
ARINC629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（digitalautonomousterminalaccesscommunications,DATAC）,这种总线技术在ARINC429的基础上，结合1553B的优点开收回来的，其总线传输率为2Mb/s,线性拓扑结构,基天性满足现代航空电子系统高速数据的传输要求。
与1553B相同，它也采取了双向传输，传输时采取曼彻斯特码II型双相电平码，并且还进一步使用量电流型耦合器。
与1553B所不合的是，它不再采取集中式控制，因而无需总线控制器，不存在又要总线控制器失效而造玉成系统瘫痪的问题。
比较而言,ARINC629具有自主控制、可双向传输、连接简单、“拔出式”兼容等特点，因而在波音777上获得了广泛的应用,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成长进入一个新的时代。
7.
CAN总线技术
CAN（控制器局域网）总线是以后现场总线具有代表性的一种总线，是一种有效支持散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。
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1Mbit／s。
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，包含位填充、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：
①不成预测性。
CAN总线采纳多主竞发的形式，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成总线主站。
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，报文延迟时间不成预知。
②信道出错梗塞。
在节点有可能受干扰或其他原因暂时或永久失效时，出错的主机会命令CAN收发器不竭发送报文。
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梗塞。
③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取双冗余甚至多冗余总线的方法。
CAN自己其实不包含像数据描述、站地址、连接导向协议等项目。
它只规范了ISO／OSI7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,MILSTD1553B、ARINC429、MILSTD1773和ARINC629等数据总线技术,由于具有以上优点,在航空航天领域获得了很是广泛的应用。
但随着技术的成长,通信速率达到数百兆以上的设备年夜量呈现，以上介绍的数据总线技术已不克不及满足新型航空航天遨游翱翔器的成长要求，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成长综述
（一）”中，我们主要介绍了MILSTD1553B、ARINC429、MILSTD1773、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术进行详细介绍。
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）。
IEEE1394协议分为1394a、1394b等，其中1394b可支持高达3.2Gbps传输速率，并支持光纤传输。
IEEE1394作为商用总线，近年来成长迅速，不但在工业和测控领域被广泛应用，并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、吞吐量年夜、可靠性高、易于扩展、维护便利、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，对提高武器系统冲击精度、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。
FDDI总线
光纤散布式数据接口（FDDI:
FiberDistributedDataInterface）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、实现散布式控制、散布式处理的光纤介质总线网络系统。
“令牌”是一个特别界说的信息帧，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、笼盖规模年夜、可靠性高、平安性高、支持可静态散布传输的特点，因此在上世纪90年代作为先进的光纤组网技术获得了成长与应用。
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ZKJ7上，并且还应用于国际空间站中。
LTPB总线技术
LTPB（LinearTokenPassingBus）是由国际自念头工程师学会（SAEInternational）制定的军用数据总线，界说了令牌消息、站管理消息、数据消息三种消息类型，其数据传输速率为50Mbit/s，最多可连接128个终端，消息最年夜长度为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）采取令牌传输协议,不需总线控制器,实现了真正的散布式控制、散布式处理。
LTPB总线技术采取光纤传输介质,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SAEAS4074.1，应用于RAH66、F22“猛禽”第4代战斗机中。
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IEEE13551995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，已胜利应用于火星探测器“MarsExpress”项目、彗星探测器“RosettaSpacecraft”项目和地球环境遥感卫星“Cryosat”项目等。
SpaceWire采取点到点连接的结构，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获得较广泛的应用不可是由于它是一种简单、可靠、低功耗数据传输技术，另外他也采取了合适以后数据传输成长标的目的的包交换技术。
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成能超出连接性能的情况，其优点是网络中节点的增加不会招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网络是一种正在不竭成长、完善中的高速数据传输技术，新的弥补协议加入到协议簇中，新的应用产品也不竭呈现。
这种采取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、可重用新结构的成长提供了有效的手段。
中高速数据总线比较
各种总线的比较阐发如下表所示，尽管IEEE1394目前还没有被广泛应用，可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LTPB总线不单都实现了高速化和光纤化，并且是完全的散布式控制模式，且FDDI技术已获得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克不及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，最年夜只有10米。
表1.各种总线比较阐发
类目
IEEE1394
FDDI
LTPB
SpaceWire
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、800Mbps
100Mbps
50Mbps
2至400Mbps
传输距离
4.5m
最年夜距离2km
最年夜距离1km
10m
传输介质
光纤
光纤高
特点
计算能力强、吞吐量年夜、可靠性高、易于扩展、维护便利
传输速率高、传输距离长、笼盖规模年夜、可靠性高、平安性高、支持可静态散布传输
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
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比较阐发。
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以后流行的高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成长综述
（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：
AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet）是基于标准（IEEE802.3以太网技术和ARINC664Part7）界说的电子协议规范，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MILSTD1553B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是年夜型运输机和民用机载电子系统综合化互联的解决计划。
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采取接入交换式拓扑结构，使它的笼盖规模和可支持的节点数目远远超出了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:
网络连接采取星型拓扑结构，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年夜规模的网络；
（3）
确定性:
网络采取点到点网络，通过使用虚连接以包管带宽；
（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飞机上就率先采取AFDX总线，同时波音公司在最新研制的787和747400ER飞机中也采取了AFDX作为机载数据总线。
2、TTE
时间触发以太网（TTE，TimeTriggeredEthernet），即以时间触发取代事件触发，将通信任务通过合理的调度按时触发发送。
时间触发概念的提出，其目的是在于通过全局时钟精确同步，可有效避免数据帧争用物理链路，包管通信延迟和时间偏移简直定性。
时间触发与事件触发相比在系统确定性、资源损耗、可靠性、实时性上有很年夜优势。
TTE总线技术具有高数据量、高实时性等特点，能适应散布式综合模块化航空电子架构的成长。
TTE网络是在标准IEEE802.3以太网上实现的时间触发网络协议，可作为完全散布的、严格确定性的平安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，具备更高的平安性和强有力的容错机制，拥有很是广阔的应用前景，有望作为AFDX互连的子集，在年夜中型飞机的综合化互联中饰演重要角色。
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遨游翱翔器上（OrionCrewExplorationVehicle）。
3、Ethernet
在空中局域网中，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成长。
Ethernet来源于商业应用，虽没有军品级器件，但商业支持很是强，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取过这种总线。
目前，用于解决空中局域网宽带接入问题的是无源光网络技术（passiveopticalnetwork，简称“PON”），近十年来随着光通信技术的成熟，PON技术开始走上了年夜规模的应用，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，下行标的目的（网络到用户）采取TDM广播机制，上行（用户到网络）采取TDMA复用方法，因此下行标的目的具有共享媒介的特性；
并采取单模光纤作为传输介质，传输距离最年夜可达10km～20km；
采取无源的光分路器取代了有源复用器或交换机，简化了光纤分派网的设计，提高了传输链路的可靠性，因此便于运行、维护和管理并且本钱昂贵等特点。
不管在国内还是国外，无源光网络技术因其共同的优势都在年夜规模商用，中国电信与中国联通以EPON为主进行接入网安排，日本和韩国以后也均以EPON为主，北美和中东以GPON为主。
EPON和GPON，尤其是EPON在商用领域的财产链已经走向成熟。
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采取通道技术控制信号传输，在共享介质时采取基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制和基于信用（Credit）的流量控制战略，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、灵活的拓扑结构和办事类型、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的要求。
美国在“宝石台”和“宝石柱”计划的基础上，开展了JAST计划研究，把统一网络引入航电系统，并把FC作为统一网络的总线标准。
目前，光纤通道已应用于美国航空电子的升级换代中，如：
AH64D“阿帕奇”、“长弓”式直升机中用于数字视频接口与遨游翱翔试验和任务处理器的互连。
B1B中用于航空电子计算机和数据存储/传输设备间的互连。
机载预警与控制系统“扩展哨所”（AWACSExtendsentry）中用于构成交换式网络。
美英下一代联合攻击机JSF的遨游翱翔管理系统、综合RF和综合核心处理机（ICP）三个子系统间的高速互连也采取了FCAE作为统一的网络。
5、高速数据总线比较
通过对以上高速数据总线的阐发，民用航空领域主要是AFDX，军用航空领域主要以FC为主，同时也是JAST计划提出的“航空电子统一网络”首选协议之一；
基于以太网的无源光网络技术则是正在年夜规模商用和安排的空中宽带接入技术;
而基于以太网的TTE总线技术具有较为广阔的应用前景，可是目前国内还处于推广阶段。
具体性能比较如下表所示。
交换式、星型
点对点、星型、环型
点对点、仲裁环
交换式
10、100Mbps
100Mbps、1Gbps
1、2.5、10Gbps
2、4、8、10Gbps
100m
由IEEE802.3规范界说
20km
10km
屏蔽双绞线
光纤、屏蔽双绞线
延迟时间短、办事质量高、本钱低、网络拓扑结构灵活
高数据量、高实时性、平安性高、容错机制强
网络简单、可靠性高，运行、维护和管理简单、本钱低
高带宽、低延迟、低误码率、拓扑结构灵活
6、结语
本期继续对高速航空航天数据总线技术进行了介绍，主要介绍了AFDX、TTE、Ethernet及FC总线等高速航空航天数据总线技术。
通过前面对中低速及高速航空航天数据总线技术的简要阐发,FC技术由于其高速率、高可靠性、扩展余度年夜、拓扑灵活等特点,较其他总线技术更加适合航空航天数据通信的成长要求,应该成为我国航空航天用数据总线的研究和关注焦点。
FC总线技术的相关内容将在接下来的“FC总线技术简介
（一）”中进行详细介绍。
升级会员 