航空航天数据总线技术进展综述.docx

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航空航天数据总线技术进展综述

航空航天数据总线技术进展综述

综述1

70年代以来，随着微电子、运算机、操纵论的进展，使得航空电子系统的进展更为迅速。

1980年美国专门制定了军用1553系列标准和ARINC系列标准，使数据总线加倍规范化。

目前自动化程度较高的军、民用飞机，如F-1六、F-117、幻影2000、空中客机A340等都采纳了数据总线技术。

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利用体会，本文针对具有代表性的总线标准，包括MIL-STD-1553B、ARINC42九、MIL-STD-1773、ARINC62九、STANAG3910、RS485及CAN总线技术进行介绍。

1. MIL-STD-1553B

MIL-STD-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,正式发布于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。

该总线采纳冗余的总线型拓扑结构,传输数据率可达1Mb/S，足以知足第三代作战飞机的要求。

1553B总线系统要紧由总线操纵器BC和远程终端RT和组成，其字长度20bit，数据有效长度为16bit，半双工传输方式，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靠得住性。

1553B总线的要紧功能是为所有连接到总线上的航空电子系统提供综合化、集中式的系统操纵和标准化接口。

该总线技术第一运用于美国空军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,而且成功应用于其它操纵领域,如导弹操纵、舰船操纵等，在海军和陆军的武器和保护系统中已经开始采纳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. ARINC429

ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会（AirlinesEngineeringCommittee）于1977年7月发表并取得批准利用的,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普遍应用在民航客机中,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,总线上概念了2种设备,发送设备只能有1个,而接收设备却能够有多个。

发送设备与接收设备采纳屏蔽双绞线传输信息,传输方式为单向广播式,调制方式采纳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、性能稳固、抗干扰性强、具有高靠得住性等优势。

3. MIL_STD_1773

1988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/响应多路传输数据总线）,那个标准主若是对MIL_STD_1553在传输介质上的一个改良,其利用光纤传输介质来取代屏蔽双绞线和电缆,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）所利用,其中,F-18战斗机就利用这一标准。

目前,MIL_STD_1773已进展到了双速度、高速度的时期,其中,波音（Boeing）公司研制了基于MIL_STD_1773标准的双速度的收发器（具有1Mb/s和20Mb/s两种速度）,其中1Mb/s要紧用于MIL_STD_1553B总线,而20Mb/s要紧用于高速数据传输。

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,这种标准主若是用来改良机载数据总线的传输速度,以适应新一代战机的进展要求。

STANAG3910也是一种指令/响应协议,采纳双速度传输总线结构。

高速通道具有20Mb/s的传输速度,以知足现今绝大多数战机航电子系统之间高速通信的要求,而低速度的MIL-STD-1553B通道要紧操纵高速度的通信。

利用相同的传输介质能够连接STANAG3910系统和MIL-STD-1553B系统,如此就能够够很方便地对MIL-STD-1553B系统进行升级改良,而且20Mb/s的高速通道既可采纳光纤也可采纳同轴电缆作为其传输介质。

利用STANAG3910能够超级有效地对现有MIL-STD-1553B系统进行升级,以提供高传输速度来知足以后战机的进展需要。

如此就能够够提高MIL-STD-1553B系统的利用寿命,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固性（利用MIL-STD-1553B总线的系统性能超级稳固）上取得较好的结合点。

事实上,欧洲2个军用战机项目均利用了该总线技术,如:

英国、德国、意大利、西班牙联合开发的欧洲战斗机（EFA）和法国单独研制的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）制订并发布的，它是在RS422基础上制定的标准，RS485标准采纳平稳式发送，差分式接收的数据收发器驱动总线，其最高传输速度为10Mbps。

RS485为总线式拓扑结构，在同一总线上最多能够挂接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，现已很少采纳。

在监控装置的RS485通信网络中采纳的确实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）的操纵方式。

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普遍的标准通信接口之一。

RS485串行数据总线具有结构简单、价钱低廉、通信距离和数据传输速度适当等优势使其在工业操纵领域、汽车、舰船系统中取得普遍应用。

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的优势开发出来的，其总线传输率为2Mb/s,线性拓扑结构,大体能知足现代航空电子系统高速数据的传输要求。

与1553B相同，它也采纳了双向传输，传输时采纳曼彻斯特码II型双相电平码，而且还进一步利用量电流型耦合器。

与1553B所不同的是，它再也不采纳集中式操纵，因此无需总线操纵器，不存在又要总线操纵器失效而造成全系统瘫痪的问题。

比较而言,ARINC629具有自主操纵、可双向传输、连接简单、“插入式”兼容等特点，因此在波音-777上取得了普遍的应用,成为机上信号处置、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。

能够说，ARINC629总线的推出和在B777飞机上的应用将利用数据总线技术的进展进入一个新的时期。

7. CAN总线技术

CAN（操纵器局域网）总线是当前现场总线具有代表性的一种总线，是一种有效支持散布式操纵和实时操纵的串行通信网络。

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操纵与测试仪器之间的数据互换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线。

其通信介质能够是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速度可达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置，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工作。

航空航天领域利用的总线系统要求具有很高的实时性、靠得住性和抗干扰性能等，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不可预测性。

CAN总线采取多主竞发的形式，当碰到总线多个节点要求发送时，现在只有发送具有最高优先权帧的节点变成总线主站。

在极端情形下，具有较低优先权的报文可能在相当长一段时刻内无法抢占发送权，报文延迟时刻不可预知。

②信道犯错堵塞。

在节点有可能受干扰或其他缘故临时或永久失效时，犯错的主机遇命令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置这种情形。

依照CAN的优先权机制，比它优先权低的信息就被临时或永久堵塞。

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，为知足苛刻的靠得住性要求多采纳双冗余乃最多冗余总线的方式。

CAN本身并非包括像数据描述、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，必需通过开发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度、靠得住性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求,MIL-STD-1553B、ARINC42九、MIL-STD-1773和ARINC629等数据总线技术,由于具有以上优势,在航空航天领域取得了超级普遍的应用。

但随着技术的进展,通信速度达到数百兆以上的设备大量显现，以上介绍的数据总线技术已不能知足新型航空航天飞行器的进展要求，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进展综述

（一）”中，咱们要紧介绍了MIL-STD-1553B、ARINC42九、MIL-STD1773、ARINC62九、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等部份中高速数据总线技术进行详细介绍。

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）。

IEEE1394协议分为1394a、1394b等，其中1394b可支持高达Gbps传输速度，并支持光纤传输。

IEEE1394作为商用总线，最近几年来进展迅速，不仅在工业和测控领域被普遍应用，而且已经慢慢深切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、靠得住性高、易于扩展、保护方便、且支持点对点通信、广播通信及支持热插拔等优势，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漠的空间。

因此，基于1394b光纤总线的军事应用，关于提高武器系统冲击精度、机动性和快速性具有重要意义。

IEEE1394b已经利用在军用飞机上，并作为F22猛禽战机上的视频总线，同时也在F35上有所利用。

2. 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、实现散布式操纵、散布式处置的光纤介质总线网络系统。

“令牌”是一个专门概念的信息帧，只有令牌明确寻址的终端才可在总线上发送信息，对总线上每一个终端都给定一个握有令牌的时刻期,在终端握有令牌的时刻期内,终端主控工作,可发送信息给其他终端。

FDDI传输速度可达100Mbps，FDDI具有传输速度高、传输距离长、覆盖范围大、靠得住性高、安全性高、支持可动态散布传输的特点，因此在上世纪90年代作为先进的光纤组网技术取得了进展与应用。

FDDI要紧用于海军作战系统，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，而且还应用于国际空间站中。

3. LTPB总线技术

LTPB（LinearTokenPassingBus）是由国际自动机工程师学会（SAEInternational）制定的军用数据总线，概念了令牌消息、站治理消息、数据消息三种消息类型，其数据传输速度为50Mbit/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）采纳令牌传输协议,不需总线操纵器,实现了真正的散布式操纵、散布式处置。

LTPB总线技术采纳光纤传输介质,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，应用于RAH-6六、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IEEE1355-1995和LVDS两个商业标准为基础，汲取了1394技术、ATM技术、以太网技术的优势，同时考虑了空间应用的特点，在故障检测与时刻确信性方面做了增强。

SpaceWire最高速度能够达到400Mbps，是目前在航天领域应用较普遍的高速数据总线，已成功应用于火星探测器“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采纳点到点连接的结构，在同一网络中能够同时利用多条总线，其网络拓扑具有很高的自由度。

SpaceWire取得较普遍的应用不仅是由于它是一种简单、靠得住、低功耗数据传输技术，另外他也采纳了符合当前数据传输进展方向的包互换技术。

相较与CSMA/CD以太网、IEEE1394等总线型数据传输技术中数据速度不可能超过连接性能的情形，其优势是网络中节点的增加可不能致使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进展、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显现。

这种采纳互换机制的高速串行全双工技术为载荷数据处置系统向低功耗、靠得住、可重用新结构的进展提供了有效的手腕。

5. 中高速数据总线对照

各类总线的对照分析如下表所示，尽管IEEE1394目前尚未被普遍应用，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总线不但都实现了高速化和光纤化，而且是完全的散布式操纵模式，且FDDI技术已取得商业领域的普遍应用与验证，较LTPB技术风险小、投资少、研制周期短，但100Mbps的传输速度也愈来愈不能知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形来看，航天领域尤其深空探测领域利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.各类总线对照分析

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

、、800Mbps

100Mbps

50Mbps

2至400Mbps

传输距离

最大距离2km

最大距离1km

10m

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不是知足系统的通信速度、靠得住性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求。

本期详细介绍了IEEE1394、FDDI、LDPB、SpaceWire等部份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照分析。

高速航空航天数据总线技术是知足以后航空航天任务需求的重要技术手腕，因此，咱们将在下期继续介绍当前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进展综述

（二）”中，咱们要紧介绍了IEEE1394、FDDI、LDPB及SpaceWire等部份高速航空航天数据总线技术，本期将针对AFDX、TTE、Ethernet及FC总线等通信速度达到百兆以上的高速数据总线技术进行详细介绍。

一、AFDX总线技术

航空电子全双工互换以太网（AFDX：

AvionicsFull-DuplexSwitchedEthernet）是基于标准（以太网技术和ARINC664Part7）概念的电子协议规范，要紧用于实现航空子系统之间进行的数据互换。

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许诺连接到其他标准总线如ARINC429和MIL-STD-1553B等，并许诺通过网关和路由与其他的适应ANIRC664但非确信的网络通信。

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的传输速度可达100Mbps乃至更高，传输介质为铜制电缆或光纤。

AFDX中没有总线操纵器，不存在1553B中集中操纵的问题。

同时，AFDX采纳接入互换式拓扑结构，使它的覆盖范围和可支持的节点数量远远超过了1553B总线。

AFDX的要紧特点如下：

（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） 互换式网络:

网络连接采纳星型拓扑结构，每一个互换机最多可连接24个终端节点，互换性能够级联以实现更大规模的网络；

（3） 确信性:

网络采纳点到点网络，通过利用虚连接以保证带宽；

（4） 冗余:

双重网络提供了更高的靠得住性；

（5） 网络传输速度可选择10Mbps或100Mbps。

空中客车公司在最新研制的A380飞机上就率先采纳AFDX总线，同时波音公司在最新研制的787和747-400ER飞机中也采纳了AFDX作为机载数据总线。

二、TTE

时刻触发以太网（TTE，Time-Triggered-Ethernet），即以时刻触发代替事件触发，将通信任务通过合理的调度按时触发发送。

时刻触发概念的提出，其目的是在于通过全局时钟精准同步，可有效幸免数据帧争用物理链路，保证通信延迟和时刻偏移的确信性。

时刻触发与事件触发相较在系统确信性、资源损耗、靠得住性、实时性上有专门大优势。

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进展。

TTE网络是在标准以太网上实现的时刻触发网络协议，可作为完全散布的、严格确信性的安全关键性计算及联网平台，目前支持100Mb/s和1000Mb/s速度，10000Mb/s速度的TTE网络也在开发进程中。

TTE总线技术兼容了时刻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一般网络数据流、AFDX数据流和TTE网络数据流，具有更高的安全性和强有力的容错机制，拥有超级广漠的应用前景，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讨飞行器上（OrionCrewExplorationVehicle）。

3、Ethernet

在地面局域网中，以太网是首选的局域互连技术，速度从百兆到千兆，正向万兆以太网技术进展。

Ethernet来源于商业应用，虽没有军品级器件，但商业支持超级强，被NASA推荐为以后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纳过这种总线。

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（passiveopticalnetwork，简称“PON”），近十年来随着光通信技术的成熟，PON技术开始走上了大规模的应用，可解决接入网的带宽瓶颈问题。

其传输速度支持上下行对等，或下行、上行，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）采纳TDM广播机制，上行（用户到网络）采纳TDMA复用方式，因此下行方向具有共享媒介的特性；并采纳单模光纤作为传输介质，传输距离最大可达10km～20km；采纳无源的光分路器取代了有源复用器或互换机，简化了光纤分派网的设计，提高了传输链路的靠得住性，因此便于运行、保护和治理而且本钱低廉等特点。

不论在国内仍是国外，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，将运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采纳通道技术操纵信号传输，在共享介质时采纳基于仲裁或互换的信道共享冲突解决机制和基于信用（Credit）的流量操纵策略，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和具有流量操纵功能，使得它能够专门好地知足以后航空电子系统互连的要求。

美国在“宝石台”和“宝石柱”打算的基础上，开展了JAST打算研究，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：

AH-64D“阿帕奇”、“长弓”式直升机顶用于数字视频接口与飞行实验和任务处置器的互连。

B1-B顶用于航空电子运算机和数据存储/传输设备间的互连。

机载预警与操纵系统“扩展哨所”（AWACSExtendsentry）顶用于组成互换式网络。

美英下一代联合解决机JSF的飞行治理系统、综合RF和综合核心处置机（ICP）三个子系统间的高速互连也采纳了FC-AE作为统一的网络。

五、高速数据总线对照

通过对以上高速数据总线的分析，民用航空领域主若是AFDX，军用航空领域要紧以FC为主，同时也是JAST打算提出的“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大规模商用和部署的地面宽带接入技术;而基于以太网的TTE总线技术具有较为广漠的应用前景，可是目前国内还处于推行时期。

具体性能比较如下表所示。

表1.各类总线对照分析

类目

AFDX

TTE

Ethernet

FC

拓扑结构

交换式、星型

点对点、星型、环型

点对点、星型、环型

点对点、仲裁环

交换式

传输速率

10、100Mbps

100Mbps、1Gbps

1、、10Gbps

2、4、8、10Gbps

传输距离

100m

由规范定义

20km

10km

传输介质

屏蔽双绞线

光纤、屏蔽双绞线

光纤、屏蔽双绞线

光纤、屏蔽双绞线

特点

延迟时间短、服务质量高、成本低、网络拓扑结构灵活

高数据量、高实时性、安全性高、容错机制强

网络简单、可靠性高，运行、维护和管理简单、成本低

高带宽、低延迟、低误码率、拓扑结构灵活

六、结语

本期继续对高速航空航天数据总线技术进行了介绍，要紧介绍了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分析,FC技术由于其高速度、高靠得住性、扩展余度大、拓扑灵活等特点,较其他总线技术加倍适合航空航天数据通信的进展要求,应该成为我国航空航天用数据总线的研究和关注核心。

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。