航空航天数据总线技术发展综述

航空航天数据总线技术发展综述
综述1
70年代以来,随着微电子、计算机、控制论得发展,使得航空电子系统得发展更为迅速.198０年美国专门制定了军用1553系列标准与ARＩＮＣ系列标准,使数据总线更加规范化。

目前自动化程度较高得军、民用飞机,如F-16、F—1１7、幻影２０00、空中客机A340等都采用了数据总线技术。

数据总线技术在我国航空电子系统设计中已有十几年得设计与使用经验,本文针对具有代表性得总线标准，包括ＭＩL-STD-15５3B、ＡRＩＮＣ429、MIL—ＳＴD—1773、AＲＩNC629、STＡＮAG3９10、RS48５及CAN总线技术进行介绍。

1、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与工业界得支持下制定，正式公布于197８年,1986-1993年进行了修改与补充。

我国与之对应得标准就是GJB28９A－9７。

该总线采用冗余得总线型拓扑结构,传输数据率可达1 Mb/Ｓ,足以满足第三代作战飞机得要求。

15５3B总线系统主要由总线控制器BC与远程终端ＲＴ与组成，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 总线得冗余度设计,提高了子系统与全系统得可靠性。

１55３B总线得主要功能就是为所有连接到总线上得航空电子系统提供综合化、集中式得系统控制与标准化接口。

该总线技术首先运用于美国空军Ｆ-16战斗机。

在过去得30年中,MＩL—STD－1553B已成功地应用于多种战机，并且成功应用于其它控制领域，如导弹控制、舰船控制等，在海军与陆军得武器与维护系统中已经开始采用1５53B总线。

随着国防现代化得建设与武器系统得升级换代,我军也开始将１55３B协议大量应用到武器系统得设计中。

２、AＲINC429
ARINＣ429总线协议就是美国航空电子工程委员会(Aｉｒlines Enginｅｅring mittee）于１9７7年7月发表并获得批准使用得，它得全称就是数字式信息传输系统（DＩTＳ）。

协议标准规定了航空电子设备及有关系统间得数字信息传输要求。

AＲIＮC429广泛应用在民航客机中，如B-７37，A310等，俄制军用飞机也选用了类似得技术。

我国与之对应得标准就是HB60９６-SＺ-01。

ARＩNC42９总线就是面向接口型数据传输结构，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多个.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总线结构简单、性能稳定、抗干扰性强、具有高可靠性等优点。

３、MIL_ＳTD_17７３
198８年,美国国防部发布了新得军用标准即MＩL＿SＴＤ_177３(飞机内部时分制指令／响应多路传输数据总线）,这个标准主要就是对MIL＿STＤ_155３在传输介质上得一个改进,其利用光纤传输介质来取代屏蔽双绞线以及电缆，其她得高层协议与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)与海军（ＮAVY）所使用,其中, F－18战斗机就使用这一标准.目前,MIL_ＳT Ｄ＿１７7３已发展到了双速率、高速度得阶段,其中,波音(Ｂoeing）公司研制了基于MIL_STD_17７3标准得双速率得收发器(具有1 Mb/s与20 Mb／ｓ两种速率) ，其中１Mb/ｓ主要用于MＩL_ＳＴＤ_1553B总线，而２０ Mb/s主要用于高速数据传输。

4、ＳTＡNＡG 39１0
在20世纪90年代初，北约（NＡTO）在研制欧洲新一代战机时，提出了一种新得数据总线欧洲标准即STＡＮAG39１0，这种标准主要就是用来改进机载数据总线得传输速率，以适应新一代战机得发展要求。

STAＮAG3９10也就是一种指令/响应协议，采用双速率传输总线结构。

高速通道具有2０ Mb/s得传输速率,以满足现今绝大多数战机航电子系统之间高速通信得要求，而低速率得ＭＩL－STD-1553Ｂ通道主要控制高速率得通信.使用相同得传输介质可以连接ＳTＡNＡG39１0系统与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２0 Ｍb／ｓ得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得发展需要。

这样就可以提高MIL—STD—1553B系统得使用寿命，在新一代战机所要求得高速数据总线与航空电子系统通信稳定性（使用ＭＩＬ—ＳＴD－1553B总线得系统性能非常稳定)上取得较好得结合点。

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、西班牙联合开发得欧洲战斗机（EFA）以及法国单独研制得ＲAFALＥ战斗机。

5、ＲＳ485总线
RS485 就是串行数据接口标准,由电子工业协会（EＩA）制订并发布得，它就是在RＳ４２２基础上制定得标准,RＳ４８５标准采用平衡式发送，差分式接收得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 有两线制与四线制两种接线,四线制只能实现点对点得通信方式,现已很少采用。

在监控装置得RS485 通信网络中采用得就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)得控制方式。

RS485 总线接口作为多点、差分数据传输得电气规范,现已成为业界应用较为广泛得标准通信接口之一。

RS485串行数据总线具有结构简单、价格低廉、通信距离与数据传输速率适当等优点使其在工业控制领域、汽车、舰船系统中得到广泛应用。

6、ARINC629
ARINＣ62９总线就是波音公司为民用机开发得一种新型总线数字式自主终端存取通信(digitａｌauｔonｏmouｓｔerｍinal aｃceｓｓｍuniｃaｔｉons，DATAC)，这种总线技术在ＡRIＮC４２9得基础上，结合１553B得优点开发出来得，其总线传输率为２ Mb/s,线性拓扑结构，基本能满足现代航空电子系统高速数据得传输要求。

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所不同得就是,它不再采用集中式控制,因而无需总线控制器,不存在又要总线控制器失效而造成全系统瘫痪得问题。

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上得到了广泛得应用，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得基础。

可以说，ARINＣ６２9总线得推出以及在Ｂ777飞机上得应用将使用数据总线技术得发展进入一个新得时代.
７、CAN总线技术
CAＮ(控制器局域网)总线就是当前现场总线具有代表性得一种总线，就是一种有效支持分布式控制与实时控制得串行通信网络。

CAN总线就是德国Boscｈ公司从2０世纪8０年代初为解决现代汽车中众多得控制与测试仪器之间得数据交换而开发得一种串行数
据通信协议，它就是一种多主总线。

其通信介质可以就是双绞线、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协议得物理层与数据链路层功能，可完成对通信数据得成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工作。

航空航天领域使用得总线系统要求具有很高得实时性、可靠性与抗干扰性能等，CAＮ总线自身存在得一些问题限制了它在这一领域得应用:①不可预测性.CAN总线采取多主竞发得形式，当遇到总线多个节点要求发送时,此时只有发送具有最高优先权帧得节点变为总线主站。

在极端情况下,具有较低优先权得报文可能在相当长一段时间内无法抢占发送权,报文延迟时间不可预知。

②信道出错堵塞.在节点有可能受干扰或其她原因暂时或永久失效时，出错得主机会命令CＡN收发器不断发送报文。

该信息得格式等均合法，因此ＣＡＮ没有相应得机制来处理这种情况。

根据ＣAN得优先权机制,比它优先权低得信息就被暂时或永久堵塞。

③系统冗余支持。

CＡN就是单条总线，而在航空航天领域得应用中，为满足苛刻得可靠性要求多采用双冗余甚至多冗余总线得方式。

CＡN本身并不包括像数据描述、站地址、连接导向协议等项目。

它只规范了ＩSO/OＳI7层标准模型中得数据链路层与物理层，因此，必须通过开发CＡN得较高层协议来解决这些问题.
8、结语
航空航天电子系统选用数据总线需要综合考虑通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求，MIL-SＴD—1553B、ＡRＩNC429、MIL－ＳTD-1773与ARＩNC６２９等数据总线技术，由于具有以上优点，在航空航天领域得到了非常广泛得应用.
但随着技术得发展,通信速率达到数百兆以上得设备大量出现，以上介绍得数据总线技术已不能满足新型航空航天飞行器得发展要求，迫切需要新得技术支持,相关内容将在“航空航天数据总线技术综述(二）"中介绍。

综述二
在上一期得“航空航天数据总线技术发展综述（一）”中，我们主要介绍了ＭIL-ST Ｄ—15５3B、ARINC4２9、MIL－ＳTＤ177３、ＡRＩNＣ６２9、CＡＮ总线等中低速得航空航天数据总线技术，本期将针对IEEE1３9４、FDＤＩ、ＬDP Ｂ及SpaceWire等部分中高速数据总线技术进行详细介绍。

1、IEEE139４总线
IEEE1３９４就是由IEEＥ制定得一种高性能串行总线标准,又名火线（FｉｒeWire）.IＥEE 1３9４协议分为1394ａ、１３9４b等，其中139４b可支持高达3、2 Ｇbps传输速率，并支持光纤传输。

IＥEＥ1394作为商用总线,近年来发展迅速,不仅在工业与测控领域被广泛应用，而且已经逐步深入到航空航天及军事应用领域.
基于13９４b得光纤总线系统具有计算能力强、吞吐量大、可靠性高、易于扩展、维护方便、且支持点对点通信、广播通信及支持热插拔等优点，为多模态传感系统、在线实时检测与视频图像传输提供了广阔得空间。

因此，基于１3９4b光纤总线得军事应用,对于提高武器系统打击精度、机动性与快速性具有重要意义.IEEE139４ｂ已经使用在军用飞机上，并作为F22猛禽战机上得视频总线，同时也在F35上有所使用.
2、ＦＤＤI总线
光纤分布式数据接口( FDDＩ: Fiber Distributed DatａInterｆacｅ) 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年制定得一种用于高速局域网得MAＣ标准。

FDＤI就是一种按令牌协议传输信息、实现分布式控制、分布式处理得光纤介质总线网络系统。

“令牌”就是一个特别定义得信息帧，只有令牌明确寻址得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得时间期，在终端握有令牌得时间期内, 终端主控工作，可发送信息给其她终端。

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得特点,因此在上世纪90年代作为先进得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）得海军第三代ZＫJ-7上，并且还应用于国际空间站中。

3、LTＰB总线技术
LTPＢ（ＬineａrToｋen Passiｎg Ｂus）就是由国际自动机工程师学会(SＡE Ｉnteｒnatiｏnal）制定得军用数据总线,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。

从物理上瞧，LＴPB就是星型拓扑结构,易于监控网络上信息得传送及整个网络得状态,从逻辑上瞧，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，实现了真正得分布式控制、分布式处理。

LＴPB总线技术采用光纤传输介质，具有很强得抗电磁干扰能力，其传输总线为广播式总线。

LTPB对应得标准为SＡE ＡS4０74、1,应用于RAＨ—６6、F-22“猛禽"第4代战斗机中。

4、SpａceＷiｒe总线
SpａceWｉre就是欧洲航天局开发得一种高速、点对点、全双工得串行总线网络，以IＥＥＥ135５—199５与LＶDS 两个商业标准为基础，汲取了1394技术、ＡTM技术、以太网技术得优点，同时考虑了空间应用得特点，在故障检测与时间确定性方面做了加强.SｐａceWｉre最高速度可以达到400Mｂps，就是目前在航天领域应用较广泛得高速数据总线，已成功应用于火星探测器“M ａｒｓＥｘｐrｅsｓ”项目、彗星探测器“Rosｅtta Spａceｃraft”项目与地球环境遥感卫星“Crｙosaｔ”项目等。

SpacｅWiｒe采用点到点连接得结构，在同一网络中可以同时使用多条总线,其网络拓扑具有很高得自由度。

ＳpaceWiｒe得到较广泛得应用不仅就是由于它就是一种简单、可靠、低功耗数据传输技术，另外她也采用了符合当前数据传输发展方向得包交换技术.相比与CSMA/ＣD以太网、IEEE1３9４等总线型数据传输技术中数据速率不可能超过连接性能得情况,其优点就是网络中节点得增加不会导致节点可用带宽得降低，为系统得扩展提供了充分得余地。

SpaｅｃeWire网络就是一种正在不断发展、完善中得高速数据传输技术,新得补充协议加入到协议簇中,新得应用产品也不断出现。

这种采用交换机制得高速串行全双工技术为载荷数据处理系统向低功耗、可靠、可重用新结构得发展提供了有效得手段.
5、中高速数据总线对比
各种总线得对比分析如下表所示，尽管IＥＥE1394目前还没有被广泛应用，但就是其在数字成像领域内得重要作用已经为世人所关注;FDDI与LTPＢ总线不但都实现了高速化与光纤化，而且就是完全得分布式控制模式，且FDDＩ技术已得到商业领域得广泛应用与验证，较LTPB技术风险小、投资少、研制周期短，但１00Mbｐs得传输速率也越来越不能满足更高速得数据传输；从欧美对这些高速总线得应用与研究情况来瞧,航天领域尤其深空探测领域使用较多得高速总线就是SpacｅWire总线,但传输距离较短,最大只有10米。

表1、各种总线对比分析
6、结语
航空航天电子系统选用数据总线得基础就是该总线标准就是否满足系统得通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求。

本期详细介绍了IEＥE１394、ＦDDI、LＤPＢ、SｐaceWiｒe等部分高速航空航天数据总线，并对所介绍中高速数据总线进行了对比分析。

高速航空航天数据总线技术就是满足未来航空航
天任务需求得重要技术手段,因此,我们将在下期继续介绍当前流行得高速航空航天数据总线技术,敬请进一步关注。

综述三
在上一期得“航空航天数据总线技术发展综述（二）”中,我们主要介绍了IＥEE13９4、FDDＩ、LDＰB及SpaceＷiｒｅ等部分高速航空航天数据总线技术，本期将针对AＦＤＸ、TTE、Etheｒneｔ及FC总线等通信速率达到百兆以上得高速数据总线技术进行详细介绍。

1、AFDＸ总线技术
航空电子全双工交换以太网(ＡFＤX:Avionics Full－Dupｌex Sｗitcｈｅd Eth ｅｒｎet）就是基于标准(IEEE802、3以太网技术与ARＩNC66４Pａｒt7）定义得电子协议规范，主要用于实现航空子系统之间进行得数据交换.ＡＦDＸ就是通过航空电子委员会审议得新一代机载以太网标准，AFDX允许连接到其她标准总线如ARＩNＣ429与MIＬ－ＳTD—155３B等，并允许通过网关与路由与其她得适应ANIRC6６4但非确定得网络通讯。

ＡFＤX就是大型运输机与民用机载电子系统综合化互联得解决方案。

ＡＦＤX得传输速率可达１00Ｍbｐs甚至更高，传输介质为铜制电缆或光纤.AFDX 中没有总线控制器，不存在1553B中集中控制得问题。

同时，AＦDX采用接入交换式拓扑结构,使它得覆盖范围与可支持得节点数目远远超过了15５3B总线。

ＡFＤX得主要特点如下：
（1）全双工：物理层得连接介质就是两个双绞线对，一对用于接收，另一对用于发送；
(2）交换式网络:网络连接采用星型拓扑结构，每个交换机最多可连接２4个终端节点，交换机可以级联以实现更大规模得网络;
(3) 确定性：网络采用点到点网络,通过使用虚连接以保证带宽；
(４）冗余:双重网络提供了更高得可靠性；
（5）网络传输速率可选择10Ｍbpｓ或1０0Ｍｂps .
空中客车公司在最新研制得Ａ380飞机上就率先采用AFDX总线，同时波音公司在最新研制得78７与７４7—400ER飞机中也采用了AFDX作为机载数据总线。

２、TＴE
时间触发以太网（TＴE,Time-Triggｅred-Ethernet),即以时间触发代替事件触发，将通信任务通过合理得调度定时触发发送.时间触发概念得提出，其目得就是在于通过
全局时钟精确同步,可有效避免数据帧争用物理链路，保证通信延迟与时间偏移得确定性。

时间触发与事件触发相比在系统确定性、资源损耗、可靠性、实时性上有很大优势。

TTＥ总线技术具有高数据量、高实时性等特点,能适应分布式综合模块化航空电子架构得发展.
ＴTE网络就是在标准IEEE802、3以太网上实现得时间触发网络协议，可作为完全分布得、严格确定性得安全关键性计算及联网平台,目前支持100Mｂ/s与1０0０Mb／s 速率，１00０0Mb／s速率得TTＥ网络也在开发过程中.
ＴTE总线技术兼容了时间触发协议与以太网技术得优势，能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流、AFDＸ数据流与TＴＥ网络数据流,具备更高得安全性与强有力得容错机制,拥有非常广阔得应用前景，有望作为AFDX互连得子集，在大中型飞机得综合化互联中扮演重要角色。

目前，美国航天局已将TTＥ得一些技术应用在了猎户座载人探索飞行器上(OrioｎＣreｗ Eｘplorａｔiｏn Vehicle）。

3、Ethｅｒneｔ
在地面局域网中，以太网就是首选得局域互连技术,速率从百兆到千兆,正向万兆以太网技术发展。

Ethｅｒnet来源于商业应用,虽没有军品级器件,但商业支持非常强,被NASA 推荐为将来可在空间应用得总线之一。

国际空间站与一些小卫星上已采用过这种总线.
目前，用于解决地面局域网宽带接入问题得就是无源光网络技术（ｐassiｖe optic ａl nｅｔwoｒｋ,简称“ＰON")，近十年来随着光通信技术得成熟，PON 技术开始走上了大规模得应用，可解决接入网得带宽瓶颈问题。

其传输速率支持上下行对等1、２5Gb ｐs,或下行2、5Gbｐｓ、上行1、25Gbpｓ,目前最高支持上下对等10Ｇbps得带宽;PON 技术就是一种点对多点得结构，下行方向(网络到用户)采用TDＭ广播机制，上行（用户到网络）采用TDMＡ复用方式，因此下行方向具有共享媒介得特性;并采用单模光纤作为传输介质，传输距离最大可达10km～20km;采用无源得光分路器取代了有源复用器或交换机，简化了光纤分配网得设计,提高了传输链路得可靠性,因此便于运行、维护与管理并且成本低廉等特点。

不论在国内还就是国外,无源光网络技术因其独特得优势都在大规模商用,中国电
信与中国联通以EPON 为主进行接入网部署，日本与韩国当前也均以EＰON为主，北美与中东以ＧPOＮ为主。

EPON与GPON，尤其就是EPON在商用领域得产业链已经走向成熟。

４、FC总线
光纤通道（FiberChannel ，简称FＣ）就是美国国家标准委员会(ＡNSI)得X3Ｔ1１小组于19８8年开始制定得高速串行传输协议，将计算机通道技术与网络技术有机结合起来，具有全新概念得通信机制。

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得信道共享冲突解决机制与基于信用(Ｃreｄｉｔ）得流量控制策略,信道得传输效率较高,适用于网络负载较重得应用系统中。

光纤通道得高带宽、低延迟、低误码率、灵活得拓扑结构与服务类型、支持多种上层协议与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得要求.美国在“宝石台”与“宝石柱”计划得基础上，开展了JASＴ计划研究,把统一网络引入航电系统，并把FＣ作为统一网络得总线标准。

目前，光纤通道已应用于美国航空电子得升级换代中,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与任务处理器得互连。

Ｂ１—B中用于航空电子计算机与数据存储/传输设备间得互连.机载预警与控制系统“扩展哨所”(AWACS Eｘtendsｅntry）中用于构成交换式网络。

美英下一代联合攻击机JSF得飞行管理系统、综合RF与综合核心处理机（ＩＣP ）三个子系统间得高速互连也采用了FC —ＡＥ作为统一得网络。

5、高速数据总线对比
6、结语
本期继续对高速航空航天数据总线技术进行了介绍,主要介绍了AFDX、TTE、Etｈｅrnｅt及FC总线等高速航空航天数据总线技术。

通过前面对中低速及高速航空航天数据
总线技术得简要分析，ＦC技术由于其高速率、高可靠性、扩展余度大、拓扑灵活等特点,较其她总线技术更加适合航空航天数据通信得发展要求，应该成为我国航空航天用数据总线得研究与关注焦点。

ＦC总线技术得相关内容将在接下来得“FC总线技术简介（一）"中进行详细介绍.。