数据总线在飞机航空电子设备系统集成中的应用研究

数据总线在飞机航空电子设备系统集成中的应用研究

张少华

身份证号：440582198411272642

摘  要：机载数据总线可以将分离的航空电子设备综合起来，实现信息共享。本文介绍了国内外运用较多的ARINC-429、MIL-STD-1553B和AFDX航空数据总线技术，并对航空电子设备系统集成进行了研究。

关键词：电子设备；数据总线；系统集成

航空电子系统具有通信、导航、目标探测、电子对抗、信息综合与处理、座舱显示与控制以及飞机、发动机和武器系统控制等功能，呈现出高度信息化、综合化和网络化的发展趋势。航空数据总线在航空电子系统集成中扮演了至关重要的作用，是实现信息共享的纽带。本文介绍飞机上常用的数据总线及应用情况。

1  航空数据总线

航空数据总线是指用于联接机载电子设备各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，电子设备通过机载数据总线互连成网络系统，完成相互间的数据信息传输任务。

航空电子设备通过数据总线构成信息网络，实现了信息的有效传输、共享、功能综合，座舱的综合显示和控制，促进了航空电子系统的综合化。数据总线在机载设备上的广泛应用，提高了信息传输的可靠性和飞机的性价比、可维护性。

2  ARINC-429总线

ARINC-429总线是一种当今在民用运输机、支线喷气机和行政商务喷气机领域广泛运用的数据总线。

2.1技术特点

ARINC-429为单向传输总线，总线上只允许有一个发送器，但可以有多个接收器，最多为20个接收器，如图1所示。信息只能从机载设备的发送口输出，经传输总线传至需要该信息的其它设备的接收口。两个设备间需要双向传输数据时，则在每个方向各用一根独立的传输总线。ARINC-429通信采用双极性归零制的三态调制方式BNR码，即调制信号由“高”、“零”和“低”状态组成的三电平调制状态。系统高速工作状态位速率为100 kbps，低速状态位速率为12 kbps~14.5 kbps。对每一个字的同步，可通过检测每个字第一位的跃变来实现，在连续传输的字与字之间至少有4个位时的时间间隔，紧跟该字间隔后要发送的第一位起点即为新字的起点。

图1：ARINC-429总线数据传输结构图

基本信息单元是由32位构成的一个数据字。数据传输采用广播传输原理，由源系统以足够高的速率提供传输数据，从而保证两次更新间增量值的变化小，按开环进行传输，也就是不要求接收器通知发送源已收到信息。数据传输顺序是先发送第l位，然后依次发送至32位，先传标识符，后传数据。

2.2 系统集成

运用ARINC-429总线搭建航空电子系统体系结构将导致大量的数据总线连接。为每个发送信息的LRU至少分配一条ARINC-429 总线输出通道，每个接收LRU至少分配一条输入通道，用来接收数据。A320 飞机的体系结构如图2所示。

图2：航空电子系统体系结构

多功控制与显示单元MCDU 是系统核心，接收机载设备输出的ARINC-429 数据，对导航数据进行融合处理，在电子姿态指示器EADI和电子水平状态指示器EHSI上显示，同时在无线电调谐单元RTU控制下输出频率、工作状态、方式等ARINC-429控制信号到机载设备。

3  MIL-STD-1553B 总线

MIL-STD-1553B 总线是一种军用标准数据总线，首先应用于美国空军 F-16 战斗机，后逐步应用于战机、导弹和舰船控制等领域。

3.1 技术特点

该总线是双向、线性拓扑结构、集中控制、指令/响应协议总线。数据总线通过双绞线传输，使用曼彻斯特双极性编码格式，传输速率为1Mb/s。

MIL-STD-1553B总线拓扑结构如图3所示，总线控制器（BC）控制总线操作，且通过数据总线与最多 30 个远程终端（RT）通信。

图3：MIL-STD-1553B总线拓扑结构

总线控制器（BC）是在总线上唯一被安排为执行建立和启动数据传输任务的终端，对1553B总线的控制和管理，也是所有信息传输动作的发起者。任何时刻总线上只有一个总线控制器，其负责发送命令、参与数据传输、接收状态响应和监测总线系统。

远程终端（RT）是用户子系统到数据总线上的接口，在总线控制器的控制下提取数据或吸收数据，即对总线接收到的有效命令做出响应，回送状态字，完成相应动作。

总线控制器可嵌入在航空电子系统LRU的远程终端。每次传输都是通过固定形式实现的，首先BC发出指令，远程终端进行数据传输，之后接收终端给出响应，总线通信是高度确定性的。广泛的消息错误检测与校正能力使传输数据具有高度完整性。

3.2 系统集成

现代战斗飞机大多数采用基于1553B总线的联合式结构，使用数据处理器完成低带宽的数据传输交换功能，如导航、武器投放、外挂管理、显示、控制等。各单元之间通过数字总线交联，资源共享只在信息链后端的控制环节。

图4为典型的第三代战斗机综合航空电子系统结构图，从图可以看出，整个航空电子系统围绕航空电子、显示两条双余度总线构成的。系统中每一个分系统都有自己的计算机，各自完成特定的计算任务，并通过嵌入式总线及其接口与整个系统相交联。火控计算机作为系统的总线控制器，担任系统的管理、控制和协调工作。

图4：第三代战斗机综合航空电子系统结构图

机载多路数据传输总线技术简化了设备间的连接关系，减轻了系统的体积和重量，解决了任务处理、显示控制的综合问题，对航空电子系统综合化起到了很大的促进作用，使飞机的功能和性能前进了一大步。

4. AFDX总线

AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet 航空电子全双工交换式以太网 )是空客公司在商用交换以太网的基础上建立起来的，具有高实时、高安全、高可靠和低延时的特点，网络传输速率可选择10MB/s 或100MB/s，已成为大型运输机首选航空电子系统总线。

4.1 技术特点

AFDX网络采用全双工交换机、异步传输模式等方法来减少总线竞争，通过静态配置以达到确定性要求。全双工交换机作为网络核心，数据传输速度可达100 Mb/s，具有发送和接收数据的缓冲区，可以满足所有端口线速转发；端系统提供航空电子设备与AFDX网络之间的“接口”。该“接口”向航空电子设备提供“应用程序接口”和基于虚链路的发送带宽控制，以保证各设备之间不同通信通道之间的隔离。

AFDX网络的拓扑结构采用星型拓扑和双冗余机制，故形成了如图5所示的双冗余星型拓扑结构。其中，ES代表端系统，相同位置的交换机互为热备份。

在标准AFDX网络拓扑图中，所有链路采用热备份机制，即所有交换机都有另一个与它数据相同的交换机（数据仅MAC源地址中网络号字段不同）。每个终端系统与两台互为热备份的交换机相连，构成双冗余网络。由此可避免由于链路或者交换机故障所导致的网络瘫痪，同时互为备份的链路层亦可以保证数据的可靠性。

图5：AFDX网络拓扑结构

4.2  系统集成

空客公司在A380上推出了与以往不同的概念的航空电子系统，使用双余度数据总线的全双工交换式互联网。体系结构的中心是一个双余度的AFDX交换网络，由9对交换机组成，其中8对分布在飞机纵向左、右两边。

机载设备通过AFDX总线与交换机连接在一起，通过交换机的警管、过滤机制和端系统的定时发送机制可避免数据堵塞和冲突，提高通信质量和安全性；对数据传输带宽进行限制，保证通信的带宽和隔离；通过静态配置保证系统传输的确定性；通过传输路径的热备份保证系统的可靠性。

5  结束语

借助航空数据总线，航空电子系统可以达到信息共享，简化操作的目的。飞机选用何种类型总线，飞机研发单位需要结合飞机自身的市场定位、货架产品、任务特点与信息构成做出适合飞机的选择。

参考文献

[1]孙胜旺.航空数据总线技术分析研究[J].山东工业技术，2018（7）：154.

[2]伊恩∙莫伊尔.飞机航空电子系统（第二版）[M].北京：国防工业出版社，2015：079-157.