大飞机航电系统总线研究(DOC)

大飞机航电系统总线研究

夏志飞

(凌云科技集团，武汉，430040)

摘要：本文先介绍了大飞机航电系统采用的总线构型，再分层介绍了ARINC 429总线和AFDX总线的原理、特点和相关技术，在此基础上提出了相应的实现方案，为航电系统及其检测设备的研制提供了一定的参考。

关键词：航电系统；检测设备；ARINC 429；AFDX

1 引言

大飞机是我国的一个战略性工程，对未来社会、经济与国防，特别是科学技术的整体推进都将有非常重大的意义。航电系统关系到飞机的可用性、先进性、飞行安全性和可扩展性，是重要的机载系统，而总线则是航电系统综合的核心，同样也是其检测设备不可或缺的一个组成部分。

国外大飞机如A400M、波音787、空客A380的航电系统主干连接采用AFDX总线，成熟的、低数据流量的设备采用ARINC 429总线传输数据。图1.1是一种航电系统的构型，以AFDX交换机为中心，通过无线电接口单元、远程数据集中器完成AFDX总线数据与ARINC 429总线数据的转换。

图1.1 一种航电系统的构型图

2 ARINC 429总线

美国ARINC 公司为了解决航电设备信息共享、系统集成、降低维护费用等问题而制定了《MARK 33数字式信息传输系统》标准，即ARINC 429标准，我国航空工业部也推出了类似的HB-6096《SZ-01数字信息传输系统》航标[1]，该标准已得到广泛应用。

2.1 系统结构

ARINC 429总线系统由发射器和接收器组成，如图2.1，每条总线上信息只能单向传输，但可一发多收，接收器不超过20个，通过两条ARINC 429总线可以同时双向传输信息。

图2.1 ARINC 429总线传输结构图图2.2 ARINC 429总线分层模型图ARINC 429总线不涉及也无需路由等功能，参考OSI模型，通过链路层、物理层模型可清晰描述其关系。参考图2.2，链路层负责消息编码、检错等，物理层负责电器编码、传输等。

2.2 链路层

ARINC 429总线中，链路层将航电系统设备或检测所用总线监控设备的数据编码后转交物理层传输，该层中，数据字是最基本的信息单元，分为5类：二进制(BNR)码、BCD码、离散、维护和AIM数据字。

每个数据字有32位：前3位用八进制表示信息标识符，用以识别数据类型；第9、10位是源/目标标识符(SDI)；BCD码、离散、AIM数据字的第30、31位是符号/状态矩阵(SSM)，而BNR数据字的SSM则是第29、30、31位；第32位是奇偶校验位，一般采用奇校验。表2.1是待飞距离为2750.4公里的ARINC 429数据字的实例，采用BCD码格式，标号001，从右往左串行传输。

表2.1 BCD数据编码实例

2.3 物理层

ARINC 429总线通过双绞屏蔽线收发电信号，高速传输的速率为100kbps，低速为12kbps~14kbps，位速率误差小于1%，采用双极性归零制三态码调制，分“高、零、低”三种电平状态，发送数据的输出阻抗为75±5Ω，接收数据的输入电阻及对地电阻最小为12kΩ，输入电容最大为50uF。

图2.3 编码、电平及时间关系

图2.3中，信号电平前高后零为逻辑1，前低后零为逻辑0。传输速率为100kbps时，X=5us±2.5%，Y=10us±2.5%。

2.4 实现方案

由于ARINC 429总线标准推出较早，已得到了广泛应用，在工程中有多种实现方案。

1) 前端采用运放，调理信号，转换为通用数字电路能处理的串行数字信号，后级采用分立元件、单片机或FPGA等数字电路直接处理。采用该设计要考虑的细节众多，难度较大，但硬件成本低。

2) 采用HS-3282之类的协议专用接口芯片，该芯片直接将ARINC 429总线信号转换成并行数字信号。设计者只需要熟悉接口芯片的寄存器、时序关系即可，设计相对容易，信号质量也能由专用芯片得以保证，但此类芯片几乎都是国外生产的，价格高。

3) 前端采用运放，调理信号，后端采用ACTEL公司的FPGA，复用Core429 IP核，该IP类似HS-3282芯片，开发方便，但只能用于ACTEL公司大容量的FPGA上。当然也有其它商用IP核，可用在不同厂家的FPGA上。该方案设计难度和成本都介于1，3之间。

4) 采用ASIC，虽然初期设计、验证需要投入大量成本和精力，但单芯片可实现多种功能，可靠性高，大批量生产时成本低。

航电系统设备为了保证可靠性，不少都采用方案4，实现ARINC 429总线数据收发，与其传感器、处理器通信。检测设备常以计算机为基础，一般采用方案1、2、3，转换成RS232、USB、PCI等计算机总线数据，再通过应用程序实现人机交互，实行对ARINC 429总线数据的监听及仿真。

3 AFDX总线系统

AFDX (Avionic Full Duplex Switched Ethernet，航空全双工交换式以太网)是一种通过虚链路(VL)通信的，具有最大延迟时间的确保带宽、最大抖动和已定义的丢帧概率的确定性网络，具有高可靠性、高实时性、组网灵活的特点，非常适合大飞机航电系统互联。ARINC公司制定了ARINC 664航空数据网络标准，定义了AFDX网络[2][3]。

3.1 系统构型

AFDX总线由数据链路、端系统(ES)和互联器组成：数据链路一般是网线、光纤；ES是航电系统的一部分，类似于PC机中的网卡，提供通信接口；互联器实现各个航电子系统互联，通常由AFDX交换机组成，一般在链路层完成分组交换。如图3.1，端系统间通过互联器通信，互联器间可相互通信，构成星形拓扑结构。

图3.1 AFDX总线逻辑关系结构图

参考OSI分层模型，如图3.2ab，AFDX端系统可由应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层描述，AFDX交换机在数据链路层上实现数据交换，只涉及到链路层和物理层。

图3.2 AFDX模型及数据

以100M的AFDX为例，航电系统程序以消息的形式通过端口发送数据，在传输层中加入UDP头形成UDP报文。UDP报文进入网络层，根据长度分片，加IP头，计算校验和，形成IP报文。IP报文进入链路层，加MAC头、尾，形成MAC帧，同时也形成了虚链路(VL)，MAC帧按照VL排队、调度，冗余复制时更新MAC地址。MAC帧进入物理层，经4B/5B编码成比特流，最终以MLT-3形式的电信号在网线上传输，或以光强度信号调制在光纤上传输。接收是发送的逆过程，层层解码，每一层都对上层提供接口，屏蔽细节。

3.2 应用层

航电系统、检测设备的程序在应用层上通信，即可直接采用UDP协议，也可通过TFTP等更高一级的协议传输数据。每个应用程序可通过一个或多个UDP断开以消息的格式传输数据，发送数据则调用端口发送函数，将用户数据放到端口缓冲区，通知端系统并转交给传输层，接收数据则调用端口接收函数，从断开缓冲区取消息数据。

ARINC 664规范定义了显式结构和隐式结构两种形式的消息结构。显式结构包含消息格式，保证接收端消息翻译正确；隐式结构一般与接收端口相关联，不包含辅助的翻译信息，对网络带宽的利用更有效。航电设备、检测设备可以根据实际情况选择最优的消息结构，也可根据消息结构、内容解析其含义。

图3.3 AFDX消息格式