航空电子数据总线技术研究综述

曹庆年　晋军茹　孟开元

摘要：随着现代航空电子系统趋于复杂多元化，在性能上要求更加严格。文章首先对航空电子系统简要概述，然后对几种典型的航空电子数据总线技术分析研究，最后总结并指出航空电子数据总线技术的发展趋势。文章对于航空电子数据总线技术的研究，有望为后续研究人员提供参考，促使其更好地发展和应用。

关键词：航空电子系统;MIL-STD-1553B;ARINC429;FC;TTE

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）09-0001-02

1 引言

近年来，面对现代航空领域飞行器传输数据量的剧增，航空电子系统的复杂化，所需执行任务的多元化，并且在实时性以及可靠性等多个方面有了更高的要求，因此航空电子系统需要不断发展才能满足现代针对于数据传输提出的新需求。航空电子数据总线技术是航空电子系统的核心部分，总线技术决定并衡量航空系统的整体性能，总线技术为航空系统提供支持并推動其不断发展。传统的总线技术已经不能完全满足现代的需求，新一代的总线技术才可以适应时代的新需求，从而提高航空电子系统的整体性能，最终使飞行器的整体性能得以提升，保证飞行器的舒适性、安全性和可靠性。

2 航空电子系统概述

航空电子数据总线技术和航空电子系统的关系是密不可分的，总线技术是在航空系统的基础上演变而来的，二者相辅相成，共同发展。航空电子系统在早期复杂程度不高，主要执行飞行器的起飞、导航以及落地等操作，随着时代的发展以及科技的进步，航空电子系统趋于复杂化，可以执行的操作趋于综合化以及全面化[1]。航空电子系统的发展一共经历了四个阶段。

2.1 分散式航空电子系统

二十世纪四五十年代，航空电子系统最初是一个分散式的系统，各种子系统的工作完全独立进行，分别实现不同的功能，对于各种子系统信息的获取、处理、显示以及控制只能分别独立进行操作，采用点对点的连接方式在设备之间通过电缆进行互连，设备的种类较多并且数量较多，因此造成连线复杂、线缆数量多且空间占用较大[2]。

2.2 联合式航空电子系统

二十世纪六七十年代，航空电子系统发展为一个联合式的系统，提出了通过数据总线在各种子系统之间进行互连，通过数据总线进行综合显示以及控制，实现了信息共享，总的来说综合化程度较低，综合显示以及控制虽然实现了，但是各种子系统的功能依然是独立的，信号的综合并没有实现，总线数据传输带宽也是有限的。

2.3 综合式航空电子系统

二十世纪八九十年代，航空电子系统发展为一个综合式的系统，“模块”的概念在这一阶段被提出，通过通用综合处理模块实现任务管理以及信息处理，系统的可靠性和总线数据的传输速率得到了一定的提高，但是信号的全面综合仍然没有实现。

2.4 先进综合式航空电子系统

2000年以后，航空电子系统发展为一个先进综合式的系统，在这一阶段，要求实现信号的综合，需处理数据量的剧增以及需传输多种不同类型的数据从而要求总线技术具有高带宽和低延迟，采用统一网络，使各种设备以及各种子系统进行互连实现数据的传输，降低系统的复杂程度，简化结构，系统各方面的性能都得到了提高，实现了更高程度的综合[3]。

3 典型的航空电子数据总线技术

航空电子数据总线技术，其实就是一种具有实时性能的网络互连技术，通过数据总线将航空设备与各种子系统以及各种模块互相连接起来形成一个完整的网络系统，最终实现数据传输和信息共享[4]。航空电子数据总线技术在航空领域已经得到了非常广泛的应用，并且已经延伸到舰船、坦克、飞船、汽车等多种领域。

3.1 MIL-STD-1553B总线技术

MIL-STD-1553B的全称为飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线。在美国军方和工业界的大力支持下，美国多路复用技术航空委员会经过研究于1973年推出了MIL-STD-1553标准，经过改进于1975年推出了MIL-STD-1553A标准，后续经过进一步完善于1978年推出了MIL-STD-1553B标准[5]。于1997年，参照MIL-STD-1553B，我国制定了与之相对应的GJB289A-97。总线传输系统由终端和线缆两部分组成，终端之间通过线缆进行数据传输，终端由总线控制器、远程终端、总线监视器三部分组成，终端最多可以挂接32个。总线传输速率可以达到1Mb/s。总线按指令/响应的方式进行操作，这种结构要求由总线控制器对整个总线系统进行集中的控制管理，系统中的其他终端在得到指令之后，才允许做出相对应的响应，这种操作方式将会避免总线上碰撞的发生。总线以半双工的方式进行传输，调制方式为脉冲编码调制，应采用曼彻斯特Ⅱ型双相电平码。采用双冗余的总线型拓扑结构，可以提高系统的可靠性和稳定性，第一条总线用于传输数据，当第一条总线出现故障的时候，处于热备份的第二条总线就会进入工作状态，保证系统正常工作。在军事以及工业等领域应用非常广泛，尤其是在战斗机、轰炸机系统中。但其也存在一定的缺陷，总线控制器的集中控制将会给整个总线传输系统带来潜在的单点故障问题，总线带宽的有限将无法满足对于高速数据的传输以及大数据量的传输，这在一定程度上制约着航空电子系统整体性能的提升。

3.2 ARINC429总线技术

ARINC429的全称为数字式信息传输系统。于1977年，ARINC429由美国航空电子工程委员会提出继而发表并最终获得批准投入使用。于1986年，参照ARINC429，我国制定了与之相对应的HB6096-SZ-01。在总线传输系统中总线结构比较简单，一共包括两种传输设备，分别为发送设备和接收设备，以单向的传输方式进行数据的传输，数据流只可以从发送设备向接收设备传递，保证了数据传输的可靠性，发送设备只可有一个，接收设备可有多个，但其在数量上最多不可超过20个[6]。数据流是不能返回到发送设备之中的，如果总线传输系统中需要在两个设备之间进行数据流的双向传输，可以通过在每个方向上分别使用独立的总线来实现传输。总线采用的是非集中的控制方式，不存在总线控制器这一设备，不会使系统存在单点故障这一问题，使总线上的信息得以有序传输并且不会相碰。总线传输速率有低速和高速两种速率之分，系统在低速状态下工作时，速率可以达到12～14.5Kb/s，常用于传输一些比较重要的数据和信息;系统在高速状态下工作时，速率可以达到100Kb/s，常用于传输一些重要性一般的数据和信息。在民航客机领域得到了非常广泛的应用。其存在的缺陷是总线传输速率有限，单向的传输方式虽然使数据传输具有了一定的可靠性，但是一旦传输设备数量增加会使线缆的数量、重量、长度以及占用空间也随之大大增加，制约着航空电子系统的高效性和简约性的提升。

3.3 FC总线技术

FC的全称为光纤通道。于1988年，FC由美国国家标准委员会开始制定。FC将计算机网络技术与通道技术相结合，是一种应用于计算机以及I/O设备之间通信的高速串行通信标准。光纤通道与网络开放系统互连模型相类似，采用了分层的结构将协议分为五个层，分别为物理链路层、编码/解码层、链路控制层、公共服务层和映射协议层，每个层实现不同的功能，相互独立[7]。拓扑结构非常灵活，点到点型、交换式型以及仲裁环型是FC标准定义的三种基本拓扑结构，并且通过这些结构可以构建出其他复杂的结构，例如含有环的交换网络、基于电路交换的环等结构，从而可以满足不同系统的需求。在数据通信的过程中可以很好地实现单工、半双工和全双工三种通信方式。支持远距离高带宽传输，数据传输距离最长可以达到10Km，数据传输速率可以达到1Gb/s以上。光纤通道其实是一个通信协议族，包含大量且复杂的标准文档，FC-AE和FC-AV两大协议在航空电子系统中应用较多。FC具有远距离、高带宽、高可靠性、拓扑结构灵活等特点，对于各种没有压缩处理的数据、音频、视频等可以进行高效传输，可以满足现代航空电子系统对于数据传输的需求。

3.4 TTE总线技术

TTE的全称为时间触发以太网。TTE由奥地利TTTech公司提出并制定。TTE其实就是在普通以太网的基础上实现一种时间触发网络协议。普通以太网采用的触发机制为事件触发，控制信号来自于某一事件的发生，时间是不可预知的，事件发生是不确定的，多任务的进行有可能会造成资源访问的冲突，优先级高的任务会被优先得到保障，优先级低的任务得不到保障，冲突的发生会造成延迟以及抖动的产生，从而系统的确定性、可靠性以及实时性在一定程度上降低了。基于时间触发机制的网络，通过时间进程驱动通信过程，触发因素稳定，系统行为确定，各个结点在相应的时间槽完成相应的操作，各个结点之间不会发生冲突，通信延迟以及时间偏移的确定性得到比较好的保证，从而使网络具有确定性、可靠性以及实时性等特点[8]。拓扑结构采用星型拓扑，总线网络是基于交换机进行互连的，整个总线网络至少包含一个交换机以及多个端系统。在同一个网络平台上，可以兼容三种不同类型的数据流：普通网络数据流、AFDX数据流以及TTE网络数据流。传输速率可以达到1000Mb/s，目前也在研究开发更高传输速率的总线网络。TTE在确定性、可靠性、实时性、兼容性等方面占据了很大的优势，在大中型飞机的综合化控制系统中应用非常广泛，并且在汽车网络领域也得到了比较广泛的应用。

4 总结

航空电子系统在可靠性、实时性、扩展性、安全性以及传输速率等方面有严格的要求，在选择和使用航空电子数据总线技术时，必须结合航空电子系统相关的要求以及具体的需求进行合理的选择。MIL-STD-1553B和ARINC429两种总线技术传输速率有限，在可靠性以及稳定性方面具有一定的优势，可以应用于数据传输要求不高的环境中，但对于现代航空电子系统而言，不能完全满足其发展的需求。FC和TTE是两种新型的航空电子数据总线技术，各个方面性能都得到了提升，主要体现在数据传输速率、可靠性以及实时性，可以满足现代航空电子系统的需求，将成為目前以及未来的主流技术，具有很大的研究意义和广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 李林剑.综合模块化航空电子系统[J].科技视界，2016（13）：131-132.

[2] 吴志军，杨胜学.航空电子系统发展及展望[J].科技资讯，2014，12（3）：33-34.

[3] 姜震，熊华钢，邵定蓉.未来航空电子高速数据总线技术的研究[J].电光与控制，2002，9（3）：18-22.

[4] 陈斌.航空数据总线技术分析与发展[J].数字通信世界，2019（11）：146.

[5] 刘士全，隽扬，蔡洁明，等.1553B总线应用发展研究[J].电子与封装，2013，13（12）：12-15.

[6] 张森，严小双，晏恺晨，等.机载总线技术应用综述及其对飞机性能的影响[J].电子世界，2019（21）：37-38.

[7] 刘娟.光纤通道的核心技术研究与实现[D].西安：西安石油大学，2010.

[8] 朱闻渊，尹家伟，蒋祺明.新型航空电子系统总线互连技术发展综述[J].计算机工程，2011，37（S1）：398-402.

【通联编辑：梁书】