论文部分内容阅读
一、机载数据总线概述
现代飞机上各个电子设备或子系统都装备了独立的计算机，而这些计算机除了满足各个功能子系统的实时处理之外，还需要进行信息交联达到功能综合的目的，这就导致了航空电子综合系统的出现。机载数据总线技术已经成为电传操纵系统和整个航空电子系统的中枢神经，是航空电子综合系统的工作支柱。
ARINC 429、ARINC 629是世界大型民用客机领域最为重要的机载总线，曾经以优异的性能在大型民用客机领域占据了统治地位，但是随着航空电子技术正在向智能化、模块化、标准化、综合化等方向深层次快速发展，以航空电子全双工交换式以太网（AFDX）为代表的新一代民用航空电子系统互连技术已经崛起，将最终取代ARINC 429、ARINC 629系列总线。
二、机载总线发展
现代飞机机载设备结构和总线由 1960 年到现在经历以下演化阶段：
（1）分布式模拟系统结构；（2）分布式数字系统结构；（3）集中式数字系统结构；（4）综合模块式数字系统结构。
分布式模拟系统结构：机载设备主要通过大量物理链路连接传递数据，没有通信总线，导致机载设备难以修改和升级，而飞行管理和空中交通管理需要增加或升级民机机载设备。同时模拟计算机体积庞大。
分布式数字系统结构：数字计算机技术的成熟使其在航空领域开始应用，另一个重要的技术发展是使用半双工串行数字总线，如 429 总线。429 总线是一种传送速度相对较慢的一对多、半双工串行数字总线。数字计算机减少计算机体积和重量，通信总线大大减少机载设备硬线连接，同时促使不同厂家产品使用相同的标准接口，简化后续产品升级和修改的压力。典型的飞机有波音 737、早期波音 767、空客A330。
集中式数字系统结构：数字总线 1553B 的全双工、多终端通信协议、通信速率高，可以连接各主要机载设备，机载设备如飞控系统内部再使用系统总线。随着新的数字总线 1553B 被确定为北约通用数字总线标准和广泛的使用，大大降低使用成本。民用飞机机队机载设备大量使用 429 总线，巨大的升级成本使民航业对更换 1553B 总线不积极。由于 1553B 总线使用‘命令-响应’式协议，需要一个总线控制器，民机领域不倾向于使用集中控制逻辑。因此民机领域基于 429 总线技术开发了 ARINC 629 总线，采用冲突避免协议，通过给予每个总线终端一定的时间片用于传送数据。
综合模块式数字系统结构：这种结构使用开放式系统标准和经过大量使用验证成熟的商用数字总线，它通过航空电子模块综合多种功能。通过组件和设计的共性应用，减少不同产品供应商针对特定功能开发的独特设计概念。大大节省了成本，由于电子元器件、通信技术和IT产业的快速发展，经过大量使用验证被证明技术成熟、推动航空领域使用成熟的商用货架产品（COTS），A380的AFDX数据总线就是这一发展趋势的代表。
三、ARINC 429
ARINC 429是航空无线电公司为统一航空电子设备的技術指标、电器性能、外形和接插件规范而制定的航空总线标准，广泛应用于空客公司的A310/A320、A330/A340飞机，波音公司的727、737、747、757和767飞机。它将飞机的各系统间或系统与设备间通过双绞屏蔽线互连起来，构成了各系统间或系统与设备间数字信息传输的主要路径，组成了飞机的网络体系。
ARINC 429数据总线是一种单向传输总线，数据流只能从发送器向传输器传递，所以不存在总线的传输竞争问题。其传输速率有两种，高速100kb/s，低速12～14kb/s，采用异步通信方式，可以有20个接收器。其信息流采用带有奇偶校验的32位信息位。每个数据字被分为5个组，即：标志码（Label），第1～8位；源/目的识别码（SDI），第9～10位；数据区（data），第11～29位；符号状态为（SSM），第30～31位；奇偶校验位（parioty），第32位。一个数据字传输一个参数，如高度、速度等，两个数据字之间有4位间隔，这个间隔作为字同步。信号波形为双向归零码，其位宽取决于总线的工作速率。
四、ARINC 629
ARINC629又称“数字式自主终端存取通信（DATAC）”，在波音777上得到了广泛应用。
其数据总线系统由终端控制器、串行接口，电流型耦合器、连接电缆、总线电缆和终端电阻器组成。数据的传输由于连接于总线上的终端控制器进行控制，所有的终端控制器都通过电流型耦合器并行与单一的总线电缆连接。总线电缆采用非屏蔽的双绞线，最长可达100m，最多可以连接120个终端。
ARINC 629系统是双向传输，连接在总线电缆上的所有终端都可以发送或接受数据。由于每一终端都可以发送数据，所以存在总线资源竞争的问题，这必然要求在同一时刻只能有一个终端使用总线资源，ARINC 629系统采用CSMA/CA解决该问题，即总线的占有控制由连接在总线上的各个终端控制器来完成。每个终端独立决定传输顺序，同一个时刻只有一个终端允许发送数据，发送后，该终端必须等待所有其他的终端都给定了传送的机会之后才能继续发送数据
ARINC 629传输速率为2Mb/s， 其数据类型与ARINC 429 类似，不同的是，后者传输单位为字，而前者以报文为单位发送。报文由许多字串组成，字串又由许多字组成。每个字串之间有4位的时间间隙，字串由一个标志码和多个数据码组成。标志码和数据码均为20位，都包含有3位的同步脉冲和1位的奇偶校验脉冲，所不同的是，前者中间16位为4位通道识别/标志扩展位和12位标志位，后者为16位数据。
五、AFDX
与传统以太网相比，AFDX网络具有更高的可靠性、实时性、信息带宽以及冗余配置的灵活性。
AFDX系统由航空电子子系统、终端节点和AFDX交换机等几部分组成。
（1）航空电子子系统：它是飞机上传统的航空电子系统，如飞控计算机系统、全球定位系统、环境监测系统等。航空电子计算机系统为航空电子子系统提供了计算环境，由通过终端节点实现与AFDX的连接
（2）终端节点：为航空电子计算机系统与AFDX的连接提供了接口，该接口向各种航空电子子系统提供了应用程序接口（API），保证了各设备之间通过简单的信息接口实现通讯。
（3）AFDX交换机：它是一个全双工交换式以太网互联装置，它包含一个网络切换开关，实现以太网消息帧到达目的节点，该网络切换技术是基于传统的ARINC429单向消息传输。
由两个终端节点为三个航空电子子系统提供了通讯接口。第三个终端节点为网络应用提供接口，实际上，它是为航空电子系统与外部的IP网络节点提供了通讯路径，外部的IP网络节点可以是数据传输或采集设备。
目前，AFDX作为A380的航空电子综合化网络，其中飞行控制系统、驾驶舱、燃油、动力和客舱系统的电子设备，在考虑冗余配置和空间位置分布的条件下，分别与AFDX交换机相连，每台交换机大约连接20个终端节点，形成接入交换网络；交换机之间通过通信链路连接，具有多条冗余路径，形成骨干交换网络。
现代飞机上各个电子设备或子系统都装备了独立的计算机，而这些计算机除了满足各个功能子系统的实时处理之外，还需要进行信息交联达到功能综合的目的，这就导致了航空电子综合系统的出现。机载数据总线技术已经成为电传操纵系统和整个航空电子系统的中枢神经，是航空电子综合系统的工作支柱。
ARINC 429、ARINC 629是世界大型民用客机领域最为重要的机载总线，曾经以优异的性能在大型民用客机领域占据了统治地位，但是随着航空电子技术正在向智能化、模块化、标准化、综合化等方向深层次快速发展，以航空电子全双工交换式以太网（AFDX）为代表的新一代民用航空电子系统互连技术已经崛起，将最终取代ARINC 429、ARINC 629系列总线。
二、机载总线发展
现代飞机机载设备结构和总线由 1960 年到现在经历以下演化阶段：
（1）分布式模拟系统结构；（2）分布式数字系统结构；（3）集中式数字系统结构；（4）综合模块式数字系统结构。
分布式模拟系统结构：机载设备主要通过大量物理链路连接传递数据，没有通信总线，导致机载设备难以修改和升级，而飞行管理和空中交通管理需要增加或升级民机机载设备。同时模拟计算机体积庞大。
分布式数字系统结构：数字计算机技术的成熟使其在航空领域开始应用，另一个重要的技术发展是使用半双工串行数字总线，如 429 总线。429 总线是一种传送速度相对较慢的一对多、半双工串行数字总线。数字计算机减少计算机体积和重量，通信总线大大减少机载设备硬线连接，同时促使不同厂家产品使用相同的标准接口，简化后续产品升级和修改的压力。典型的飞机有波音 737、早期波音 767、空客A330。
集中式数字系统结构：数字总线 1553B 的全双工、多终端通信协议、通信速率高，可以连接各主要机载设备，机载设备如飞控系统内部再使用系统总线。随着新的数字总线 1553B 被确定为北约通用数字总线标准和广泛的使用，大大降低使用成本。民用飞机机队机载设备大量使用 429 总线，巨大的升级成本使民航业对更换 1553B 总线不积极。由于 1553B 总线使用‘命令-响应’式协议，需要一个总线控制器，民机领域不倾向于使用集中控制逻辑。因此民机领域基于 429 总线技术开发了 ARINC 629 总线，采用冲突避免协议，通过给予每个总线终端一定的时间片用于传送数据。
综合模块式数字系统结构：这种结构使用开放式系统标准和经过大量使用验证成熟的商用数字总线，它通过航空电子模块综合多种功能。通过组件和设计的共性应用，减少不同产品供应商针对特定功能开发的独特设计概念。大大节省了成本，由于电子元器件、通信技术和IT产业的快速发展，经过大量使用验证被证明技术成熟、推动航空领域使用成熟的商用货架产品（COTS），A380的AFDX数据总线就是这一发展趋势的代表。
三、ARINC 429
ARINC 429是航空无线电公司为统一航空电子设备的技術指标、电器性能、外形和接插件规范而制定的航空总线标准，广泛应用于空客公司的A310/A320、A330/A340飞机，波音公司的727、737、747、757和767飞机。它将飞机的各系统间或系统与设备间通过双绞屏蔽线互连起来，构成了各系统间或系统与设备间数字信息传输的主要路径，组成了飞机的网络体系。
ARINC 429数据总线是一种单向传输总线，数据流只能从发送器向传输器传递，所以不存在总线的传输竞争问题。其传输速率有两种，高速100kb/s，低速12～14kb/s，采用异步通信方式，可以有20个接收器。其信息流采用带有奇偶校验的32位信息位。每个数据字被分为5个组，即：标志码（Label），第1～8位；源/目的识别码（SDI），第9～10位；数据区（data），第11～29位；符号状态为（SSM），第30～31位；奇偶校验位（parioty），第32位。一个数据字传输一个参数，如高度、速度等，两个数据字之间有4位间隔，这个间隔作为字同步。信号波形为双向归零码，其位宽取决于总线的工作速率。
四、ARINC 629
ARINC629又称“数字式自主终端存取通信（DATAC）”，在波音777上得到了广泛应用。
其数据总线系统由终端控制器、串行接口，电流型耦合器、连接电缆、总线电缆和终端电阻器组成。数据的传输由于连接于总线上的终端控制器进行控制，所有的终端控制器都通过电流型耦合器并行与单一的总线电缆连接。总线电缆采用非屏蔽的双绞线，最长可达100m，最多可以连接120个终端。
ARINC 629系统是双向传输，连接在总线电缆上的所有终端都可以发送或接受数据。由于每一终端都可以发送数据，所以存在总线资源竞争的问题，这必然要求在同一时刻只能有一个终端使用总线资源，ARINC 629系统采用CSMA/CA解决该问题，即总线的占有控制由连接在总线上的各个终端控制器来完成。每个终端独立决定传输顺序，同一个时刻只有一个终端允许发送数据，发送后，该终端必须等待所有其他的终端都给定了传送的机会之后才能继续发送数据
ARINC 629传输速率为2Mb/s， 其数据类型与ARINC 429 类似，不同的是，后者传输单位为字，而前者以报文为单位发送。报文由许多字串组成，字串又由许多字组成。每个字串之间有4位的时间间隙，字串由一个标志码和多个数据码组成。标志码和数据码均为20位，都包含有3位的同步脉冲和1位的奇偶校验脉冲，所不同的是，前者中间16位为4位通道识别/标志扩展位和12位标志位，后者为16位数据。
五、AFDX
与传统以太网相比，AFDX网络具有更高的可靠性、实时性、信息带宽以及冗余配置的灵活性。
AFDX系统由航空电子子系统、终端节点和AFDX交换机等几部分组成。
（1）航空电子子系统：它是飞机上传统的航空电子系统，如飞控计算机系统、全球定位系统、环境监测系统等。航空电子计算机系统为航空电子子系统提供了计算环境，由通过终端节点实现与AFDX的连接
（2）终端节点：为航空电子计算机系统与AFDX的连接提供了接口，该接口向各种航空电子子系统提供了应用程序接口（API），保证了各设备之间通过简单的信息接口实现通讯。
（3）AFDX交换机：它是一个全双工交换式以太网互联装置，它包含一个网络切换开关，实现以太网消息帧到达目的节点，该网络切换技术是基于传统的ARINC429单向消息传输。
由两个终端节点为三个航空电子子系统提供了通讯接口。第三个终端节点为网络应用提供接口，实际上，它是为航空电子系统与外部的IP网络节点提供了通讯路径，外部的IP网络节点可以是数据传输或采集设备。
目前，AFDX作为A380的航空电子综合化网络，其中飞行控制系统、驾驶舱、燃油、动力和客舱系统的电子设备，在考虑冗余配置和空间位置分布的条件下，分别与AFDX交换机相连，每台交换机大约连接20个终端节点，形成接入交换网络；交换机之间通过通信链路连接，具有多条冗余路径，形成骨干交换网络。