大飞机航电系统总线研究

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
图3.3是使用功能数据集(FS)将一个ARINC 429数据字放入消息的实例，图3.3b是还采用了功能数据集(DS)将多个数据字组合在一个消息中的实例。

采用这样的消息格式，可方便地在ARINC 429总线和AFDX总线之间转换数据。

3.3 传输层
传输层向上提供采样端口、队列端口及服务接入点(SAP)端口，每个端口只能单向传输，利用多个端口可同时双向传输。

采样端口用于短数据的通信，无需IP分片，每次处理一条消息，其长度不大于下层VL中规定的最大程度；队列端口能够管理不同大小的消息，其缓冲区一般可存储8k字节的数据，按照先进先出(FIFO)的原则排队；SAP端口用于TFTP传输以及同兼容网络的通信。

AFDX系统中采用UDP协议，其结构紧凑，实时性好。

UDP报文格式如图3.4所示，每个端口标识号唯一，在1~65536之间。

通过校验和字段，UDP可检查整个报文，保证数据的可靠性。

图3.4 UDP报文格式
3.4 网络层
网络层将上层的UDP报文分片到何时成都后，添加IP头，转交下层，避免底层一次性传输的数据太长而导致误码，或将下层数据重组后，检验IP头，解码成UDP报文后转交上层。

AFDX采用IPV4协议，但UDP数据被分片后，每一片都成为一个独立的分组，具有自己的IP头，包含帧偏移信息，方便接收端重组。

对于采样端口形成的UDP报文，则无需分组、重组，不会产生碎片。

AFDX系统中，一般每个ES或交换机对应一个IP地址，每个IP报文总长度为21~1499字节。

图3.5是IP报文的结构，其中IP源地址包含了ES网络ID、设备ID、分区ID等，属于单播地址，IP目的地址则是单播地址或多播地址，这样在网络层上数据可以一发多收。

图3.5 IP报文结构及地址结构
3.5 链路层
链路层将收到的上层IP报文添加MAC头、尾后构成MAC帧转交下层，或将MAC帧解码成IP报文转交上层。

MAC帧的结构如图3.7a，其中目的地址又可分为固定域和虚拟链路标识符(VLID)，结构见图3.6b。

对于无碎片的IP报文，AFDX规定了MAC帧长度，不足的部分在数据段尾部用0填充，上层IP分片可确保MAC帧不会超出长度，其结构见图3.6。

图3.6 MAC帧结构图3.7 虚链路传输
具有相同VLID的MAC帧构成一条逻辑上的虚拟链路，图3.7中，端口1，2的VLID相同，对应VL1，端口3，4则对应VL2。

接收数据时每个ES监听全部数据，根据VLID过滤保留帧，从而在一根AFDX总线上实现ARINC 429那样一发多收的功能。

图3.8 AFDX数据流图
当ES发送的数据中包含了多条VL时，如直接复用会存在抖动(jitter)，需调整、调度后传输。

图3.8是一个具有3条VL的AFDX总线的实例，每条VL在带宽分配间隔(BAG,1ms~128ms)内传输，相互间独立，在逻辑上保证了数据传输的带宽。

AFDX总线系统要求使用两个相互独立的交换网络传输数据，以提高其可靠性。

发送时每个网络都在0.5s内传输相同的数据，接收时需余度管理。

ES发送时对每条VL上传输的帧计数，序号在1~255之间递增。

循环(序号0代表复位)，接收时，采用先进先有效规则，实现余度管理。

AFDX总线系统通过冗余网络、检测序号的手段，提高了传输的可靠性。

3.6 物理层
以100M的AFDX为例，物理层将链路层的MAC帧以4bite为单位，通过4B/5B编码成适合可靠传输的码组，采用CSMA/CD策略，以100Mbps的速率传输比特流。

每条AFDX总线包含2个线对，对应收发，避免了传统以太网信息传输中的碰撞导致的延迟，实现实时传输。

AFDX总线和传统以太网类似，当利用最长2000m的850nm或1300nm光纤、SC或ST型光纤连接器传输比特流时，采用光强度调制技术(强脉冲为1，无脉冲或极小脉冲为0)，符合100Base-FX标准。

当利用两对最长100m的100Ω的5类非屏蔽(UPT)双绞铜线、RJ-45型连接器传输比特流时，采用类似图2.3的MLT-3电气编码，方便检错、同步，符合100Base-TX标准。

3.7 实现方案
由于AFDX总线相关标准推出较晚，各航空公司又自定义了部分内容，目前国内少有协议专用接口芯片，需分析需求，分层实现。

由于AFDX总线传输速率较快，网络层及以上可由软件处理，链路层及以下需要在硬件中实现。

航电系统一般在板级甚至芯片级集成了AFDX总线功能、航电系统功能、自检功能等，体积小，性能可靠。

而检测设备通常由计算机、端系统构成，经PCI这样的高速、稳定的总线交换数据，对AFDX总线监控、仿真。

硬件部分一般采用FPGA实现链路层功能，交换数据。

Actel、Xilinx等FPGA厂家已分别推出相关的
解决方案。

其中MAC帧头尾的处理可利用成熟的IP。

物理层上，AFDX总线类似于以太网，无论是通过光纤还是网线传输，都有不少商用以太网串行通信模块供选择。

软件部分的程序一般要基于操作系统。

航电系统采用专用计算机，装有嵌入式操作系统，常见的有VxWorks，Linux，检测设备一般采用工控机或PC104，操作系统选用Windows，在此基础上编程，需调用相关的API函数收发数据。

4 结束语
大飞机航电系统结构复杂，通信量大，检测、维修时需监控、仿真其总线。

根据上文分析，航电系统主干网采用AFDX总线，提高了通信性能，保证了数据通信的带宽，具有良好的扩展性，便于后续航电系统的升级和改造；二级总线采用ARINC 429总线，可以充分利用国内已定型的成熟产品，兼顾多带既有的航电设备，降低研制风险，节约研制成本与采购成本。

本文研究的内容对我国研制具有自主知识产权的大飞机航电系统及其检测设备具有一定的参考意义。

参考文献
[1] HB-6096 SZ-01数字信息传输系统, 中华人民共和国航空工业部, 1986.
[2] ARINC. Specification 664: Aircraft data network, part 7- deterministic network (draft 2, oct 10, 2003).
[3] ARINC. Arinc Procect paper 664: Aircraft data network, part 7- avionic full duplex switched ethernet (afdx) network, 2005.。