航空机载数据总线介绍

航空机载数据总线介绍2016.4SomethingsabouttheDataBus数据总线用于传送数据信息。最大的特征：共享与交换常见硬件结构技术指标：•总线的带宽（总线数据传输速率）•总线的位宽（主要对于并行总线有意义）•总线频率（主要对于并行总线有意义）•拓扑结构•传输距离•传输介质•确定性•……常见软件结构底层驱动（控制芯片）高层协议（可以有多级）用户接口（符合OS设备管理或单独定义）连接器收发器控制芯片（可以有多级）映射寄存器DMA映射内存双口RAM电缆/电路（传输介质）讲讲技术指标总线的带宽（总线数据传输速率）——代表总线最大数据传输能力……拓扑结构•点对点•（总）线形•星形•环形•交换式总线的位宽（主要对于并行总线有意义）例如：8/16/32/64/128/256bit总线频率（主要对于并行总线有意义）例如：16MHz、33MHz、66MHz传输距离•＜10m•10m–100m•＞100m（10km）传输介质•同轴电缆•屏蔽双绞线•光纤确定性•传输时间•传输延时•分配带宽•数据传输冲突与仲裁•数据接收的保证性低速中速高速≤10Mbps＞10MbpsAnd＜100Mbps≥100MbpsSomethingsabout航空总线系统实时性要求（尤其是控制系统部分）：实时性/确定性相对恶劣的环境（高/低温：-55~100℃、机内/外电磁干扰、宇宙辐射）：可靠性/容错能力可用于航空机载的数据总线•ARINC-429（我国标准：HB6096-SZ-01）•RS485•CAN•CSDB•MIL-STD-1553B（我国标准：GJB289A-97）•ARINC-629（波音-777）•MIL-STD-1773•STAN-AG-3910•LTPB•FDDI•FC•AFDX/ARINC-664•TTE•IEEE1394•SpaceWire•ARINC-659•……ARINC429ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会(AirlinesEngineeringCommittee)于1977年7月提出的，并于同年同月发表并获得批准使用。它的全称是数字式信息传输系统DITS。总线上定义了2种设备,发送设备只能有1个,而接收设备却可以有20个。发送设备与接收设备采用屏蔽双绞线传输信息,传输方式为单向广播式,调制方式采用双极性归零制三态码,传输数据率可达100Kb/s。ARINC429广泛应用在先进的民航客机中，如B-737、B757、B-767、A310，俄制军用飞机也选用了类似的技术。国内与之对应的标准是HB6096-SZ-01RS485RS485是串行数据接口标准，由电子工业协会(EIA)制订并发布的，它是在RS422基础上制定的标准，RS485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器驱动总线，其最高传输速率为10Mbps。RS485为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现已很少采用。在监控装置的RS485通信网络中采用的就是这种主从通信方式，即一台上位机（主机）带多个传感器（从机）的控制方式。RS485总线接口作为多点、差分数据传输的电气规范，现已成为业界应用较为广泛的标准通信接口之一。CANCAN(控制器局域网)总线是当前现场总线具有代表性的一种总线，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线。其通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbit／s。CAN总线通信接口集中了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工作。废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突。CSDB（商业标准数据总线）商业标准数字总线CSDB提供了面向字节的广播通信能力，支持低速12.5Kb/s和高速50Kb/s两种总线速率，目前广泛应用在民航客机、民用和军用运输机上。CSDB总线标准与ISO/OSI相对应，CSDB总线体系结构包括物理层和数据链路层：物理层规定了总线的机械特性和电气特性，数据链路层给出了数据帧的定义以及数据帧之间的定时要求，并对总线连接的各种航空设备的参数做出了详细的规定。MIL-STD-1553BMIL-STD-1553B总线全称为飞行器内部时分命令/响应式多路数据总线,它由美国自动化工程师协会在军方和工业界的支持下制定,正式公布于1978年,1986-1993年进行了修改和补充。我国与之对应的标准是GJB289A-97。该总线采用冗余的总线型拓扑结构,传输数据率可达1Mb/S，足以满足第三代作战飞机的要求。1553B总线系统主要由总线控制器BC和远程终端RT和组成，其字长度20bit，数据有效长度为16bit，半双工传输方法，双冗余故障容错方式，传输媒介为屏蔽双绞线，1553B总线的冗余度设计，提高了子系统和全系统的可靠性。ARINC629ARINC629总线是波音公司为民用机开发的一种新型总线数字式自主终端存取通信(digitalautonomousterminalaccesscommunications,DATAC),这种总线技术在ARINC429的基础上，结合1553B的优点开发出来的，其总线传输率为2Mb/s,线性拓扑结构,基本能满足现代航空电子系统高速数据的传输要求。与1553B相同，它也采用了双向传输，传输时采用曼彻斯特码II型双相电平码，而且还进一步使用量电流型耦合器。与1553B所不同的是，它不再采用集中式控制，因而无需总线控制器，不存在总线控制器失效而造成全系统瘫痪的问题。比较而言,ARINC629具有自主控制、可双向传输、连接简单、“插入式”兼容等特点，因而在波音-777上得到了广泛的应用,成为机上信号处理、航空电子系统、动力系统、飞机构架系统及自动驾驶仪通信的基础。可以说，ARINC629总线的推出以及在B777飞机上的应用将使用数据总线技术的发展进入一个新的时代。MIL-STD-17731988年,美国国防部发布了新的军用标准即MIL_STD_1773（飞机内部时分制指令/响应多路传输数据总线）,这个标准主要是对MIL_STD_1553在传输介质上的一个改进,其利用光纤传输介质来取代屏蔽双绞线以及电缆,其他的高层协议与MIL_STD_1553B相同。MIL_STD_1773数据总线在20世纪90年代已被美国国家航空航天局(NASA)和海军(NAVY)所使用,其中,F-18战斗机就使用这一标准。目前,MIL_STD_1773已发展到了双速率、高速度的阶段,其中,波音(Boeing)公司研制了基于MIL_STD_1773标准的双速率的收发器(具有1Mb/s和20Mb/s两种速率),其中1Mb/s主要用于MIL_STD_1553B总线,而20Mb/s主要用于高速数据传输。STAN-AG-3910在20世纪90年代初,北约(NATO)在研制欧洲新一代战机时,提出了一种新的数据总线欧洲标准即STANAG3910,这种标准主要是用来改进机载数据总线的传输速率,以适应新一代战机的发展要求。STANAG3910也是一种指令/响应协议,采用双速率传输总线结构。高速通道具有20Mb/s的传输速率,以满足现今绝大多数战机航电子系统之间高速通信的要求,而低速率的MIL-STD-1553B通道主要控制高速率的通信。使用相同的传输介质可以连接STANAG3910系统和MIL-STD-1553B系统,这样就可以很方便地对MIL-STD-1553B系统进行升级改进,并且20Mb/s的高速通道既可采用光纤也可采用同轴电缆作为其传输介质。使用STANAG3910可以非常有效地对现有MIL-STD-1553B系统进行升级,以提供高传输速率来满足未来战机的发展需要。这样就可以提高MIL-STD-1553B系统的使用寿命,在新一代战机所要求的高速数据总线和航空电子系统通信稳定性(使用MIL-STD-1553B总线的系统性能非常稳定)上取得较好的结合点。事实上,欧洲2个军用战机项目均使用了该总线技术,如:英国、德国、意大利、西班牙联合开发的欧洲战斗机(EFA)以及法国单独研制的RAFALE战斗机。LTPBLTPB(LinearTokenPassingBus)是由国际自动机工程师学会（SAEInternational）制定的军用数据总线，定义了令牌消息、站管理消息、数据消息三种消息类型，其数据传输速率为50Mbit/s，最多可连接128个终端，消息最大长度为4096个字。从物理上看，LTPB是星型拓扑结构，易于监控网络上信息的传送及整个网络的状态，从逻辑上看，它按站点地址递增顺序形成环型拓扑结构。线性令牌传输数据总线(LTPB)采用令牌传输协议,不需总线控制器,实现了真正的分布式控制、分布式处理。LTPB总线技术采用光纤传输介质,具有很强的抗电磁干扰能力，其传输总线为广播式总线。LTPB对应的标准为SAEAS4074.1，应用于RAH-66、F-22“猛禽”第4代战斗机中。FDDI光纤分布式数据接口(FDDI:FiberDistributedDataInterface)高速总线由美国海军研究中心提出,由美国国家标准局（ANSI）于1989年制定的一种用于高速局域网的MAC标准。FDDI是一种按令牌协议传输信息、实现分布式控制、分布式处理的光纤介质总线网络系统。“令牌”是一个特别定义的信息帧，只有令牌明确寻址的终端才可在总线上发送信息，对总线上每个终端都给定一个握有令牌的时间期,在终端握有令牌的时间期内,终端主控工作,可发送信息给其他终端。FDDI传输速率可达100Mbps，FDDI具有传输速率高、传输距离长、覆盖范围大、可靠性高、安全性高、支持可动态分布传输的特点，因此在上世纪90年代作为先进的光纤组网技术得到了发展与应用。FDDI主要用于海军作战系统，已经应用于舰载作战情报指挥系统（C3I）的海军第三代ZKJ-7上，并且还应用于国际空间站中。FC光纤通道（FiberChannel，简称FC）是美国国家标准委员会（ANSI）的X3T11小组于1988年开始制定的高速串行传输协议，将计算机通道技术和网络技术有机结合起来，具有全新概念的通信机制。FC采用通道技术控制信号传输，在共享介质时采用基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制和基于信用（Credit）的流量控制策略，信道的传输效率较高，适用于网络负载较重的应用系统中。光纤通道的高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构和服务类型、支持多种上层协议和底层传输介质以及具有流量控制功能，使得它能够很好地满足未来航空电子系统互连的要求。美国在“宝石台”和“宝石柱”计划的基础上，开展了JAST计划研究，把统一网络引入航电系统，并把FC作为统一网络的总线标准。目前，光纤通道已应用于美国航空电子的升级换代中，如：AH-64D“阿帕奇”、“长弓”式直升机中用于数字视频接口与飞行试验和任务处理器的互连。B1-B中用于航空电子计算机和数据存储/传输设备间的互连。机载预警与控制系统“扩展哨所”（AWACSExtendsentry）中用于构成交换式网络。美英下一代联合攻击机JSF的飞行管理系统、综合RF和综合核心处理机（ICP）三个子系统间的高速互连也采用了FC-AE作为统一的网络。FC是四代和五代战机的代表性技术之一。AFDX航空电子全双工交换以太网（AFDX：AvionicsFull-DuplexSwitchedEthernet）是基于标准（IEEE802.3以太网技术和ARINC664Part7）定义的电子协议规范，主要用于实现航空子系统之间进行的数据交换。AFDX是通