AFDX数据总线技术

支超有AFDX数据总线技术AFDX数据总线技术入门基础•机载数据总线概述•机载数据总线概述•军用机载数据总线及其发展•民用机载数据总线及其发展•先进机载数据总线AFDX•AFDX数据总线的基本概念和组成结构•ARINC664•AFDX的基本概念及其特点•AFDX的组成结构AFDX数据总线技术入门基础•先进机载数据总线AFDX•AFDX数据总线的关键技术•AFDX的虚连接•AFDX中的冗余管理•AFDX的消息流及消息结构•AFDX的传输协议栈•AFDX的设计与实现机载数据总线概述•机载数据总线技术是现代先进飞机电传操纵系统和航空电子综合化最重要的关键技术之一。•现代飞机上各个电子设备或子系统(如飞行控制/推力控制、火力控制、雷达、通讯导航、控制显示、武器外挂管理、非航空电子监控处理等)都装备了独立的计算机，而这些众多的计算机除了满足各自功能子系统的实时处理以外，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。•通过机载数据总线实现电传操纵系统中各个传感器与各个执行功能单元之间，以及航空电子系统各个单元之间的数据通信，实现信息共享和功能综合，不但要满足各个传感器、功能单元和子系统功能实现实时性要求，还要通过信息交联达到信息共享、功能综合的目的。机载数据总线概述•机载数据总线技术来源于航空电子综合系统的发展，美军的航空电子系统先后经历了分离式，联合式和综合式三代的发展，目前正处于第四代“先进综合式”的研究阶段。•在分离式航空电子系统中，导航、雷达、处理器和显示仪表等系统完全独立，是航空电子发展的初期；•联合式航空电子系统中，导航、雷达、火控等子系统通过总线系统(ARINC-429、MIL-STD-1553B等)互联，实现了数据信息级的共享，实现了命令和显示的综合；•综合式航空电子系统中，提出了“模块”的概念取代子系统，在“宝石柱”计划中，提出了7种总线和网络技术，数据总线由1Mbps的MIL-STD-1553B上升到50Mbps的LTPB，使航空电子系统在信息一级实现了更高层次的综合；•在先进航空电子系统中，要求在信号一级实现综合，由于需要处理的数据量急剧增加，而且总线上传输的数据不再仅仅是命令和状态数据，而是存在大量的中间结果数据，从而要求总线应当具有Gbps的带宽和微秒级的数据延迟，提出采用“统一网络”实现子系统之间、模块之间通讯乃至处理。军用机载数据总线及其发展•军用机载数据总线的发展是与航空电子技术的发展密切相关的，随着航空电子技术发展，对机载数据总线不断提出更高的要求，反过来，机载数据总线的发展，又促进了航空电子的发展。民用机载数据总线及其发展•目前民用机载数据总线是从上个世纪的七十年代投入研发和使用的ARINC429，其后波音在其B777的研制中采用了速率更高、结构更合理的ARINC629。同时，数据总线传输速率也在不断提高，从100Kbps发展到1Mbps或2Mbps，结构也在不断优化。•在航空电子系统中，为关键系统提供高速、可靠的实时通讯是对机载数据总线必要而基本的要求，另外，随着航空电子系统的复杂性的增加，为了确保各种复杂飞行条件下的安全飞行和乘客娱乐要求，对提高机载数据总线带宽需求也与日俱增。同时，航空电子系统对机载数据总线提出了传输时间确定性、高可靠型和低重量要求。•上世纪九十年代后期，国外就开始着手制订基于IEEE802.3以太网的下一代航空数据网络AND(AircraftDataNetwork)，其目标是充分利用商业货架COTS(CommercialOff-The-Shelf)硬件产品以降低成本，并缩短开发周期，同时保证商用航空对高的传输速率、健壮性和兼容性的要求，并增加了一些特殊功能来保证网络通讯的确定性。民用机载数据总线及其发展•世界航空业巨头空客和波音在A380和B787最新飞机研制中，将重点转移到开发商用的以太网技术来构建下一代的机载数据总线，这项研究促进了航空电子全双工交换式以太网AFDX(AvionicsFull-DuplexSwitchedEthernet)的发展。•航空无线电通讯公司ARINC开发了基于以太网技术的标准：ARINC664。ARINC664定义了基于IEEE802.3以太网的轮廓，满足IP寻址、TCP和UDP传输协议的基本要求。目前，ARINC664在不断完善之中，以满足下一代航空数据网络AND实践的需要。•AFDX特点是数据传输的确定型，并能提供很高的数据传输速率，以及大幅度减轻机上电缆重量。民用机载数据总线及其发展•民用机载数据总线发展中，最初ARINGC429传输速率只有100Kbps,而发展到ARINGC629，其传输速率达到2Mbps，目前ARINGC664传输速率实现100Mbps，总线传输速率提高了100倍。而且随着以太网技术的发展，其传输速率仍然会进一步提高。•民用机载数据总线采用新技术、新工艺和新器件的结果，是改善了总线性能，增强了功能，主要表现在数据总线的传输速率得到极大提高，总线结构也发生深刻变化。民用机载数据总线及其发展•在总线传输速率不断提高的同时，总线结构从ARINGC429的网状形式，发展到ARINGC629的总线型，再到ARINGC664的星型结构，结构更趋合理，可靠性进一步提高，设备互连也更加方便。民用机载数据总线及其发展•从ARINC429到ARINC664，数据总线是随着电子技术、计算机技术、通讯技术、计算机网络技术的发展而不断发展，并不断采用新技术，如在总线系统的实现中从最初的Intel8080器件，经历了Intel8086器件和Intel80486器件到目前采用Pentium器件，以实现不断增长的需要。常用机载数据总线对比及典型应用以太网技术的科学、可持续、协调发展全双工交换式以太网的(AFDX)提出•尽管IEEE802.3以太网为广泛的商业应用提供了高速率和低成本，但它并不能满足航空电子系统的健壮性要求，IEEE802.3的主要不足在于缺乏足够带宽和满足服务保障QoS(QualityofService)的要求，AFDX试图解决这些问题，并尽可能充分利用IEEE802.3硬件。•随着计算机技术、通讯技术、微电子技术和网络技术的发展，航空电子系统从综合化向着以信息交换为中心、高度综合化的深层发展，对超高速数据连接的需要也日益增长，并且要求通过数据综合和高速网络来提高其性能。同时，在航空电子系统中，对于安全和关键的系统提供高速、可靠的实时通讯也是必要而基本的要求。•空中客车公司在其最新研制的A380飞机上率先采用先进的全双工交换式以太网AFDX(AvionicsFullDupleXSwitchedEthernet)机载数据总线，能提供很高的数据传输速率，并大幅度减轻机上电缆重量。•AFDX为航空电子设备之间的数据交换提供了电气和协议的规范，它是建立在由空中客车公司最早提出的AFDX概念之上，其数据传输速率是ARINC429的几千倍。另一方面，由于以太网在商业方面投资和进步，相对于ARINC429、MIL-STD-1553B，以及其它数据通讯协议，以太网获得持续和惊人的发展，这也是AFDX基于以太网的主要原因。全双工交换式以太网的(AFDX)提出•最新研制的B-787、A-400M、C-17及AN-70等，均采用高速数据通信网络作为航电系统的主干连接网，用来实现系统的核心处理机或主要分系统之间的信息交换。当然在某些分系统内部仍然采用较成熟的1553B、ARINC429等总线通信标准。最新资料表明，最先进的A400M航电系统设计中面向综合化、模块化航电总体需求，采用ARINC664(航空电子数据网络)标准，采用了传输速率为100Mbps的全双工交换式以太网。•AFDX相比传统的IEEE802.3CSMA/CD模式的100Mbps以太网标准，通过带宽分配策略保证了其传输延时的确定性，适应了大飞机的实时分布式通信要求。与传输速率为2Mbps的ARINC629标准及100Kbps的ARINC429标准相比，AFDX的传输速率远远高于它们，其主要特性能够满足未来大飞机主干网络的通信需求。再加上其部分技术借鉴以太网成熟的技术，AFDX作为未来大飞机航电系统通信的首选标准当之无愧。ARINC664•在ARINC664的第7部分定义了AFDX数据总线，允许其它总线标准(ARINC429、MIL-STD-1553B)映射到网络中，以便与AFDX的通讯。•主要特点如下：–网络轮廓，在配置表中为各终端节点所定义的参数在启动时装入到交换机中；–全双工，物理层的连接介质是两个双绞线对，一对用于接收，另一对用于发送；–交换式网络，网络连接采用星型拓扑结构，每个交换机最多连接24个终端节点，交换机可以级连以实现更大规模的网络；–确定性，网络仿照点对点的网络，通过使用虚链接保证带宽；–冗余，双重的网络提供了更高的可靠性；–性能，网络传输速率可选择10Mbps或者100Mbps，缺省是100Mbps。半双工局域以太网•半双工局域以太网中，多个节点通过同轴电缆互连在一起，网络中没有中心节点。•在这种结构方式中，由于没有冗余设计，线路的故障可能导致终端节点与交换机之间或者是终端节点之间无法正常通讯，导致网络瘫痪。半双工局域以太网•当有两个节点“同时”传输信息时会发生“碰撞”，这时就需要一个节点能够检测传输碰撞，当发生碰撞时，传输节点就重新发送数据。显然，它们有可能同时重新发送，并且可能再次发生碰撞。为了避免这种现象，每个节点根据重新发送数据的时间间隔选择随机的传输时间，如果再次发生碰撞，传输节点计算机重新选择前一次时间间隔的一倍为随机传输时间，依次类推。该方法通常称为二进制指数策略。•在上述以太网结构中，由于没有中央控制计算机，尽管应用二进制指数的策略，理论上，信息包重复传输中的碰撞是不可避免的，这意味着传输单个信息包时，可能遇到无限的碰撞，从而导致信息包无法成功传输出去。全双工交换式以太网•在半双工的模式中，由于碰撞导致非常大的延迟，这种情况在航空电子数据网络系统中是不可接受的。因此，在AFDX的实现结构中，要求每个信息包到达目的节点的最大时间是已知的，这实际上是摆脱了系统碰撞的限制，其实现方法就是采用全双工交换以太网。•在全双工切换以太网中，为了消除碰撞，以及消除信息包从发送者到接收者的不确定时间。首先是要消除了半双工以太网中发生的碰撞，。•交换机中的Rx和Tx的缓冲区可以按照FIFO(First-InFirst-Out)存储多输入/多输出的信息包，输入/输出处理单元(CPU)的作用是将从输入到Rx缓冲区的信息包移到Tx缓冲区输出。•在上述实现中，通过检查到达Rx缓冲区的信息包，决定该信息包的目的地址(虚链接标识)，接着通过索引表决定由哪个Tx缓冲区发送该信息包，然后，通过内存总线拷贝该信息包到Tx缓冲区，以及按照先进先出的顺序传输信息包到由输出连接所选择的航空电子子系统，或者是另外的交换机。全双工交换式以太网•由于这种全双工的交换结构消除半双工以太网中可能遇到的碰撞。理论上，Rx和Tx缓冲区可能会溢出，但如果航空电子系统所需要的缓冲区的大小合适，就可以避免溢出。•虽然全双工切换的以太网可以避免碰撞，但交换机中信息包的阻塞却是不可避免。这种代替碰撞和重发的交换机结构中，也可能会导致抖动，它主要是由一个信息包等待另一个信息包传输的随机延迟而引起的，这就要求由端点系统和交换机而引起的抖动必须得到控制，以便所有的航空电子系统的通讯确定性得到保证。•AFDX提供了可连接到交换机的多达24个终端节点的星型拓扑结构，该交换机又可以级连到网络中其它交换机，它是一种确定性的网络，允许连接上的冗余(物理上双连接)，以保证带宽和服务保障。全双工交换式以太网实例•全双工交换式以太网的目标就是要消除碰撞，以及消除信息包从发送者到接收者的不确定时间。•其实现方法是在网络系统中设置全双工交换机，作为数据信息交换中心枢纽，每个航空电子系统、自动驾驶仪、平显等直接连