AFDX航空通信协议及其核心技术分析

肖红玉

摘 要：AFDX主要借助于成熟的以太网通信结构，在通信协议和拓扑结构上均使用了全双工以及双冗余等方式，令其满足航空电子系统在带宽以及实时性方面的需求。文章主要对AFDX航空通信协议进行研究，分析其硬件以及软件的具体设计方式，旨在提高通信服务质量，希望为相关工作人员提供一定参考价值。

关键词：AFDX航空通信协议;核心技术;虚拟链路

0  引言

AFDX航空通信协议是为大中型民用机以及军用飞机设计而成的拓扑网络，现已经成为我国航空通信网络的最佳手段。相关工作人员应该重视此方面的研究工作，促进AFDX网络的进一步发展。

1 AFDX航空通信协议的硬件结构设计分析

1.1 航空电子子系统设计分析

航电子系统是AFDX通信系统的重要组成系统，也是验证AFDX终端系统必不可少的输入前端，当前，前期项目就对飞机的驾驶舱进行设计，主要利用的就是AFDX系统。为了保证AFDX终端系统的兼容性，在对AFDX设计前期，还应该在原有的系统上，设计一个CAN总线式的通信模块，即控制器局域網络。该模块是德国博世公司研究而成，现已成为世界上利用率最高的现场总线。CAN总线主要被应用在汽车内部一些强干扰的环境下，性能较强，已经被大面积推广。例如，1991年就已经制定了相关的技术标准，为CAN总线模块朝着标准化以及现代化的方向发展，提供了较大的便利。

目前，航电子系统中主要应用的是DSP芯片TMS320F2812中嵌入了一个CAN总控制器模块eCAN，可以与的CAN2.8较好地兼容起来。由于eCAN属于32位结构，利用内部嵌入硬核的方式就可以完成协议，完成CAN数据链的路层部分，eCAN模块就含有内部管理以及错误检测结构管理，外部连线方式较为简单，只需要使用两个数据库，就可以将其与物理层连接起来，实现与全局网络时间同步。

1.2  FPGA的硬件设计分析

当前，市场中主要使用芯片为Xilinx，ALTERA，Lattice以及Actel等公司研发而成的，本文以Xilinx公司研发的、Virtex-II生产的8层0.12～0.15μmCOMS的金属芯片为例，该芯片的内部时钟规律约为420 MHz，属于一种速度较高、能耗较小的芯片。该新品除了功能较为灵活，还蕴含较为丰富的资源，十分适合用来设计IP核与常规模块。

FPGA的配置电路模块主要有以下几方面功能：（1）可以将该模块中的DLL转变成为数字时钟管理模式，确保时钟的灵活性。（2）通过在系统内部的CLB模块中嵌入4个Slice，增加系统的逻辑容量以及资源利用率。（3）在系统内部嵌入专业性较强的乘法电路，进一步提升信号处理速度。（4）可以配置多个RAM以及FIFO，增加系统存储容量。（5）具有较多的IO接口，实用性较强。

1.3 物理层硬件设计分析

AFDX物理层的协议标准以太网较为相似，但是由于AFDX属于冗余性质的网络，物理层必须要有两个完全相同的结构，因此，为了确保两个网络可以保持一致，工作人员应重视物理层控制芯片的选择工作。例如，选择双端口类型的以太网物理层芯片[1]。近年来，大部分企业使用的均是美国Cortina公司研发而成的LXT937芯片，技术人员可以将AFDX系统的通信速度调整为100 Mbps。为了避免受到高通信速率的影响，提高服务质量，必须要在信息数据处理后再将其接入网络系统中，防止分离变压器受到电磁干扰，影响通信质量。

2 AFDX航空通信协议的软件设计分析

2.1 虚拟链接模块设计分析

虚拟链接通常是在数据链的中层实现的，是从一个终端逐渐向多个终端传播的过程，主要作用就是对实际电路的带宽予以分时复用，提升对资源的利用率和服务质量。由于一条链路往往包含较多的虚拟链路，虚拟链路是在通信开始时才建立的，当通信完毕后就可以拆除，不仅不会影响到终端系统的物理结构，还可以保证虚拟链路之间能够相互独立，防止对线路造成干扰。虚拟电路的带宽利用率对虚拟电路的影响较小，不会占用带宽，但是也无法将自己的带宽分享给其他的虚拟链路，以此确保信息不会混淆。

2.2 完整性检测模块设计分析

完整性检测模块通常是在冗余管理之前，主要作用是检测数据信息的完整性，因此，完整性模块往往只在AFDX的终端系统中应用，有利于消除无效帧，保证通信全网络的鲁棒性。

在无故障网络系统中，完整性检测模块只能发挥中继作用，将接收到的信息数据传递到冗余模块中，在实际应用时，无故障网络出现的频率较少。例如，AFDX的数据帧在打包过程中就封装了一个8位数序列号的SN，发送终端根据序列号的增减顺序，将其发送到数据模块中，其中，SN为判断信息数据有效性的标准。在利用完整新模块对数据进行检测时，必须要读取这一标准，当其满足公式SN=PSN+1时，才能保证该数据的完整性，如果不满足，就需要消除这一数据。其中，PSN代表相同虚拟电路中最接近SN的一个有效数据[2]。

2.3 冗余管理模块的设计分析

AFDX属于冗余系统，当数据发动时就会被备份，当数据都被接收到终端系统时，就会给系统带来较大的干扰。因此，当数据被传送到上层前，工作人员就可以适当去除掉一部分数据，不仅可以节约系统资源，还可以提高资源的利用率。

该模块的主要工作原理：当在接收终端时，该系统通常是利用时间优先的原则来辨别冗余帧，最先接收到的信息数据往往被看作成有效帧，从而被系统接收。

目前，对系统展开冗余管理时，主要是借助于SN以及SkewMax等作为的接收标准。一旦受到外部环境的影响，就会造成两个网络的延迟时间出现差别，致使据帧传递到接收端时间也有所区别，因此，工作人员则可以利用SkewMax标准来管理网络延迟时间。通常，在冗余管理模块，MLB可以保存最近一个传递到冗余管理中的模块数据，在管理该模块时，其数据必须要满足以下条件：第一，数据帧中的SN必须要超过MLB中的SN;第二，互为冗余数据的系统数据帧，管理模块的时间差应该超过SkewMax[3]。

3 AFDX航空通信协议及其核心技术的测试分析

工作人员需要对航电子系统进行测试，为了测试该系统能否正常工作，通常需要将其接入到上一级系统中。将航电子系统作为航空面板的控制系统，检测AFDX终端系统的功能，并将其添加到CAN模块中，经过测试后，CAN模块可以达到正常通信的目的。另外，还需要对AFDX实验系统以及AFDX端到端的延迟系统进行测试。利用示波器、AFDX网络分散仪以及CAN模块（见图1），通过接收到的信息数据，分析系统的整体网络结构，确保系统功能得以实现。除此之外，还可以结合OPNET的仿真结果，对网络展开演算，充分发挥AFDX的作用。

4 结语

总而言之，加强对AFDX航空通信协议及其核心技术研究工作，不仅有利于提高信息数据传输环节的可靠性以及速度，还能够提升服务标准。因此，应重视此方面的研究工作，优化AFDX的硬件设计以及软件设计，进一步降低通信线路的用线量，完善系统结构，提高其性能，为我国航空电子系统朝着综合化以及集合化的方向发展夯实基础。

[参考文献]

[1]汪宁.AFDX航空通信协议及其核心技术研究[J].工业控制计算机，2019（11）：4-6，9.

[2]王海涛，张鹏亮，范振东，等.航空通信环境中IP移动性支持协议探析[J].电信快报，2018（6）：6-9.

[3]涂星滨，肖芳贵，许肖梅.水声通信中一种新型无前后缀的单载波频域均衡技术[J].电子与信息学报，2021（43）：1-9.

（编辑 姚 鑫）