孟 軍，江 濤，周 龍，樊 偉，陳 英

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

機載數(shù)據(jù)總線技術(shù)是指機載設(shè)備、子系統(tǒng)直至模塊之間的互連技術(shù)?？偩€技術(shù)本質(zhì)上是一種實時網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)?？偩€技術(shù)的出現(xiàn)是從系統(tǒng)工程的角度統(tǒng)籌設(shè)計航空電子系統(tǒng)的結(jié)果，目的是通過數(shù)據(jù)總線將飛機上各計算機構(gòu)成信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的有效傳輸、共享，實現(xiàn)座艙的綜合顯示和控制，從而形成綜合化的航空電子系統(tǒng)。

機載數(shù)據(jù)總線作為航空電子系統(tǒng)的“骨架”和“神經(jīng)”，對航空電子系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，與航空電子技術(shù)的發(fā)展同步進行，相互促進。因此，數(shù)據(jù)總線技術(shù)在很大程度上提高了飛機的性能，而且也擴大和提高了飛機完成任務(wù)的能力[1]，是航空電子技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點[2-6]。

本文闡述了航空機載數(shù)據(jù)總線兩種典型代表——1553B總線與AFDX總線，并不是從協(xié)議、技術(shù)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀進行泛泛的對比，而是對兩者的信息傳輸方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要點進行詳細(xì)討論，并從工程實踐的具體實施角度對其進行比較，特別是和航電系統(tǒng)的接口控制文件、總線表/配置表的設(shè)計相結(jié)合，以期對航電系統(tǒng)頂層設(shè)計提供一些借鑒和啟示。

1 兩種數(shù)據(jù)總線介紹

1.1 1553B

1553B總線由美國自動化工程師協(xié)會于1978年發(fā)布，全稱為飛機內(nèi)部時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線，我國與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是GJB289A-97。該總線采用冗余的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸數(shù)據(jù)率為1Mb/s。該總線技術(shù)首先被應(yīng)用于美國空軍F-16戰(zhàn)斗機，在過去的近40年中，它被成功應(yīng)用于多種戰(zhàn)機以及導(dǎo)彈控制、艦船控制等領(lǐng)域。1553B總線網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由終端和屏蔽雙絞線組成。

圖1中，總線控制器（BC）控制總線操作，且通過數(shù)據(jù)總線與最多30個遠(yuǎn)程終端（RT）通信。

圖1 1553B總線網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)圖

1553B主要特點有：

1）網(wǎng)絡(luò)的消息傳輸由BC的總線表統(tǒng)一控制，嚴(yán)格定義了全網(wǎng)絡(luò)中每條消息的長度，以及發(fā)送和接收的順序、過程；

2）傳輸方式為半雙工方式，一個終端不能實現(xiàn)同時接收與發(fā)送數(shù)據(jù)；

3）總線可掛接32個終端，各終端之間信息傳輸方式有：BC到RT，RT到BC，RT到RT，廣播方式和系統(tǒng)控制方式；

4）總線上的信息流由3種類型的字消息組成：命令字、數(shù)據(jù)字（最長為32字節(jié)）和狀態(tài)字，并有同步位和校驗位；

5）采用雙冗余工作方式，第二條屬于備份，即當(dāng)前路徑不通才啟用第二條；

6）傳輸速率為1 Mb/s；

1.2 AFDX

AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet航空電子全雙工交換式以太網(wǎng))是空客公司在商用交換以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立起來的?？湛凸靖鶕?jù)航空電子的需求，在實時性、可靠性等方面進行了改進，從而形成了旨在航空子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換而定義的一種電子特殊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(ARINC664 Part7)[6]。AFDX網(wǎng)絡(luò)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由端系統(tǒng)(end-system)、AFDX交換機(switch)以及傳輸鏈路（邏輯上的虛擬鏈路，消息傳輸?shù)妮d體）組成。

AFDX的主要特點如下：

圖2 AFDX總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1）網(wǎng)絡(luò)的消息傳輸參數(shù)由交換機中的配置表定義，配置表在啟動時裝入交換機中，即消息的路由是靜態(tài)分布的，消息的傳輸由各端系統(tǒng)自由獨立發(fā)起；

2）物理層的連接介質(zhì)是兩個雙絞線對，一對用于發(fā)送，一對用于接收，從而實現(xiàn)全雙工通信；

3）網(wǎng)絡(luò)連接采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個交換機最多連接24個終端節(jié)點，交換機可以級聯(lián)以實現(xiàn)更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)；

4）AFDX的虛擬鏈路都有帶寬分配間隔和最大的幀長度（最多支持1471字節(jié)），傳輸過程中引起的抖動有一定的范圍限制，網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸延遲都可以得到控制，從而保證了傳輸?shù)拇_定性；

5）AFDX網(wǎng)絡(luò)引入了余度的概念，數(shù)據(jù)幀可以同時在兩條獨立的路徑上傳輸，接收端系統(tǒng)只接收先到達(dá)的有效幀，這就顯著提升了系統(tǒng)的可靠性；

6）帶寬高，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可選擇10 Mb/s或者100 Mb/s，缺省為 100 Mb/s。

2 分析比較

2.1 消息傳輸與控制

數(shù)據(jù)總線的功能就是在航電系統(tǒng)的設(shè)備/模塊之間傳輸消息，該功能的完成需要總線的協(xié)議和航電系統(tǒng)各設(shè)備/模塊之間的接口控制文件來共同支撐。協(xié)議只是定義了傳輸?shù)囊?guī)則，根據(jù)功能定義的接口控制文件則包含了傳輸消息內(nèi)容。

1553B總線是一個指令-響應(yīng)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，消息傳輸總是在總線控制器的控制下進行。設(shè)計人員根據(jù)接口控制文件的消息內(nèi)容和屬性，編制總線表，總線表里嚴(yán)格定義了每一條消息的長度、發(fā)送控制、接收處理、數(shù)據(jù)地址等參數(shù)。總線控制器在運行總線表過程中，順序執(zhí)行（時分制的含義所在，這也決定了其通信方式為半雙工）總線表中的每一條指令，每一條指令完成一次消息的傳輸（如果該條消息需要被傳輸，即BC查詢到RT有傳輸請求或BC發(fā)起傳輸過程）。由于協(xié)議的特點，每條消息包含的數(shù)據(jù)最多為32字節(jié)，且每個RT發(fā)送/接收的消息地址最多為30個。這對接口控制文件的設(shè)計提出了較高的要求：1）如果需要傳輸?shù)淖止?jié)長度超過了32字節(jié)，必須將消息拆分，這就會更多的占用僅有的30個存儲地址；2）如果該RT需要傳輸?shù)南?shù)量超過了30，則必須采用邏輯消息的設(shè)計方式，即多個邏輯消息共用一個存儲地址，但是必須在功能上確保這些邏輯消息不會同時傳輸，否則會發(fā)生數(shù)據(jù)覆蓋。

AFDX總線在本質(zhì)上是交換式網(wǎng)絡(luò)，消息傳輸完全是各端系統(tǒng)發(fā)起，由1.2節(jié)可知，采用了兩對物理接線，每個端系統(tǒng)都可以實現(xiàn)同時發(fā)送、接收消息，即實現(xiàn)全雙工通信而不會碰撞。AFDX接口控制文件設(shè)計的所有數(shù)據(jù)塊在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，需要進行網(wǎng)絡(luò)配置，即產(chǎn)生每一個數(shù)據(jù)塊的源UDP、源IP、虛擬鏈路（VL）、目的IP、目的UDP。網(wǎng)絡(luò)配置以配置表形式駐留在每一個AFDX設(shè)備端系統(tǒng)中，交換機駐留有全網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃通信通路，因此AFDX網(wǎng)絡(luò)采用靜態(tài)路由機制，以交換配置表為依據(jù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。AFDX的這種網(wǎng)絡(luò)特性從很大程度上給接口控制文件的設(shè)計帶來了便利：1）消息的長度不再受限制，AFDX數(shù)據(jù)幀一次可以傳輸1471字節(jié)，即使超過了，也可以采用分片的方法進行多次傳輸；2）單個端系統(tǒng)傳輸?shù)南€數(shù)不再受限制（考慮硬件實際性能，一般不超過128條虛擬鏈路，考慮到每條消息的長度很大，全部消息的容量完全滿足使用需求）。

通過上面分析可以看出，1553B總線在消息的傳輸控制上十分嚴(yán)格，這樣的優(yōu)點在于網(wǎng)絡(luò)通信具有高穩(wěn)定性，但是其對接口控制文件的設(shè)計具有較高的要求，且消息的設(shè)計不夠靈活。例如，如果一個RT發(fā)送同樣的內(nèi)容至另外多個RT，需要在總線表里分別定義指令來分時傳輸；而AFDX網(wǎng)絡(luò)憑借虛擬鏈路“一源多址”的特點可同時轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 航電系統(tǒng)控制器余度設(shè)計

這里的控制器是從航電系統(tǒng)的功能角度來描述的，控制器在航電系統(tǒng)中承擔(dān)大量的飛行任務(wù)執(zhí)行、管理以及全網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度（如果總線類型為集中控制式，如1553B）等工作，如果控制器一旦失效，則會對整個飛行任務(wù)造成不可估量的損失，所以系統(tǒng)大多會將關(guān)鍵的控制器設(shè)計成雙備份，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。

在1553B總線網(wǎng)絡(luò)里，總線控制器（BC）同時又是航電系統(tǒng)的控制器，這樣整個總線系統(tǒng)的通信是在航電控制器的指揮下進行的，這給總線網(wǎng)絡(luò)帶來潛在的單點故障，一旦總線控制器失效，將造成整個總線系統(tǒng)的癱瘓。因此，1553B總線一般采用雙機冗余的設(shè)計方案，即指定總線上的一個遠(yuǎn)程終端為備份BC，正常情況下備份BC執(zhí)行RT功能，當(dāng)BC發(fā)生故障時，備份BC重新進行初始化并執(zhí)行BC功能。由于BC和備份BC的軟件不同，執(zhí)行的功能不同，需要在系統(tǒng)設(shè)計中考慮兩者的故障檢測、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)同步等。

AFDX網(wǎng)絡(luò)中由于沒有集中式的通信控制器，因此每個端系統(tǒng)都可以作為航電系統(tǒng)的控制器，從而控制器余度設(shè)計可以采用熱備份，即兩臺控制器任一臺均可成為主控制器或備份控制器，兩者運行的軟件完全一致?？紤]熱備份數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)需要，在系統(tǒng)正常運行的情況下將數(shù)據(jù)進行實時保存處理。在網(wǎng)絡(luò)配置時，將其他端系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)同時發(fā)送至兩個控制器，依據(jù)虛擬鏈路的特性，允許從一個源到多個目的端系統(tǒng)，在AFDX網(wǎng)絡(luò)中完全可以實現(xiàn)。并且，在控制器切換中，由于不需要重新初始化與數(shù)據(jù)恢復(fù)，切換的時間更短。

2.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性

為了提高1553B數(shù)據(jù)總線工作可靠性，通常采用雙冗余方式，如圖1所示。實際使用中，第二條總線處于熱備份狀態(tài)，即總線控制器根據(jù)遠(yuǎn)程終端響應(yīng)的狀態(tài)字情況來決定使用哪一個余度，如果初始化的那條余度一直有狀態(tài)字應(yīng)答，BC會一直使用該余度來管理消息傳輸；如果該余度狀態(tài)字無應(yīng)答，則BC會切換至另一條余度來管理消息傳輸。

AFDX網(wǎng)絡(luò)采用另一種意義上的雙余度方式傳輸，如圖2所示，每一個端系統(tǒng)均有兩個物理端口，分別連接網(wǎng)絡(luò)中的A和B兩個余度網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，由通信協(xié)議堆棧為每一個數(shù)據(jù)幀增加一個序號，序號連續(xù)遞增。數(shù)據(jù)幀在兩個余度網(wǎng)絡(luò)上傳輸，在接收端，通信堆棧按照先到原則，將任一網(wǎng)絡(luò)上接收到的帶有有效序號的第一個幀傳輸至應(yīng)用程序，接收到的帶有相同序號的第二個幀被忽略。這樣，對于任何的網(wǎng)絡(luò)組件的失效，例如：一段鏈路或一臺交換機的失效，數(shù)據(jù)流可以得到保護，從而實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)的余度通信。

2.4 擴展性

航電系統(tǒng)是飛機上發(fā)展更新最為活躍的系統(tǒng)，航電系統(tǒng)升級是維持飛機先進性的重要手段，除此之外，航電系統(tǒng)功能特別是人機界面的更改是非常頻繁的，因此要求總線網(wǎng)絡(luò)具有良好的擴展性。這里的擴展性不僅僅是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加，實際上更多的是關(guān)注消息的增加和更改。

對于1553B總線來說，最多支持31個遠(yuǎn)程終端，如果再增加遠(yuǎn)程終端，則需要進行二級總線的設(shè)計，較為復(fù)雜；對于AFDX總線，每臺交換機可以連接24個端系統(tǒng)，通過交換機的級聯(lián)可實現(xiàn)擴展，級聯(lián)只是物理鏈路上的實現(xiàn)，不會額外增加系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度。

至于更加常見的消息改動，對于1553B總線來說，需要謹(jǐn)慎設(shè)計接口控制文件和修改總線表，尤其是考慮不能超過消息長度的限制和消息個數(shù)的限制，且總線表修改了以后，整個網(wǎng)絡(luò)的消息在總線表里會重新組織排布，需要重新驗證整個航電系統(tǒng)的通信與功能；對于AFDX總線，則需要將新增的消息路徑參數(shù)定義在配置表里，會影響參與通信的端系統(tǒng)的配置表和交換機的配置表，無需重新測試整個網(wǎng)絡(luò)的功能。從這個角度來說，AFDX網(wǎng)絡(luò)的功能擴展更加方便。

3 結(jié)語

從實踐的角度比較結(jié)果來看，AFDX在高帶寬、冗長傳輸、冗余鏈接、重構(gòu)能力、設(shè)計的靈活性等方面具有優(yōu)勢，1553B在穩(wěn)定性和可靠性 (從消息的控制角度)方面具有較大的優(yōu)勢，仍可用于分布距離較短的機載、艦載環(huán)境以及對數(shù)據(jù)傳輸要求一般的環(huán)境。

因此，在機載數(shù)據(jù)總線的選擇和使用上，除了考慮其功能、性能指標(biāo)、可靠性、維修性和價格等因素，更重要的是結(jié)合飛機自身的任務(wù)特點與信息構(gòu)成，作出適合飛機的選擇。