0 引言

    近20年來,隨著信息技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,航電系統(tǒng)在航空航天中的地位日益提高，飛機對機載電子設(shè)備的性能要求也越來越高。為滿足日益增加的對航電系統(tǒng)的要求,航空電子系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)歷了從聯(lián)合式電子系統(tǒng)向綜合式電子系統(tǒng)(Integrated Modular Avionics，IMA)以及最新的分布式綜合模塊化航空電子(DistributedIntegrated Modular Avionics，DIMA)系統(tǒng)的發(fā)展過程。

    為了適應(yīng)當(dāng)前綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的發(fā)展要求,對軍用數(shù)據(jù)總線的帶寬以及協(xié)議也提出了更高的要求。未來軍用總線必須具有更多的功能、更好的適應(yīng)性、更高的可靠性和更強的生存能力。

1 分布式綜合電子系統(tǒng)特性

    DIMA將輸入/輸出（I/O）從計算模塊中剝離，使其靠近作動器（Actuator）和傳感器（Sensor），同時處理靠近I/O，解決了IMA系統(tǒng)背板散熱和安全配置的問題。將“虛擬背板”概念引入，結(jié)合了集中式系統(tǒng)與分布式網(wǎng)絡(luò)的特點，為分布式系統(tǒng)的高精度處理提供了保證。不同于傳統(tǒng)IMA的單一關(guān)鍵性，DIMA支持包含時間、安全以及任務(wù)關(guān)鍵功能在內(nèi)的混合關(guān)鍵性。具有混合關(guān)鍵性的DIMA系統(tǒng)具有以下屬性：

    (1)嚴格的時間確定性

    DIMA采用全局統(tǒng)一時鐘，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及處理都在規(guī)定時間內(nèi)完成。通過時間、空間及網(wǎng)絡(luò)上的合理劃分，保證了數(shù)據(jù)的處理及傳輸不會發(fā)生沖突及擁塞。

    (2)高容錯性和可靠性

    DIMA具有故障的檢測、識別、隔離、評估和約束功能。由于其特有的分布式架構(gòu)，單個節(jié)點的故障不會傳播到整個系統(tǒng)，同時通過雙鏈路通信方式進行冗余備份。

    (3)系統(tǒng)可組合性

    DIMA對不同等級的任務(wù)節(jié)點進行了時間、空間和網(wǎng)絡(luò)上的劃分，并且通過硬件層面進行標準化（I/O、Actuator、 Sensor），整個航電系統(tǒng)的復(fù)雜度得到降低，聯(lián)調(diào)測試時間也大大縮短。同時，單個子系統(tǒng)的更換對整個航電系統(tǒng)的影響也大幅減少。

    (4)與現(xiàn)有標準的整合性

    DIMA采用開放的技術(shù)標準體系，保證了系統(tǒng)的兼容性及可演進性。例如在處理器選用上兼容PowerPC和X86，操作系統(tǒng)采用基于開放的ARINC653標準的VxWorks、Linux，在通信網(wǎng)絡(luò)上采用基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)等。

2 國內(nèi)外軍用總線技術(shù)比較分析

    為了適應(yīng)分布式綜合航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，針對當(dāng)前主要的軍用數(shù)據(jù)總線進行分析和對比。

2.1 Avionics Full-Duplex Switched Ethernet

    Avionics Full-Duplex Switched Ethernet（AFDX）是空客公司提出的通信協(xié)議標準，該標準已經(jīng)在其研制的大型客機A380中使用。AFDX通信協(xié)議是基于商用標準（IEEE802.3以太網(wǎng)MAC地址，IP以及UDP），加上安全可靠通信的關(guān)鍵及非關(guān)鍵數(shù)據(jù)確定時間管理和裕度管理。

    確定性通信是通過分配端系統(tǒng)間的虛擬鏈路（VL）地址、延遲邊界以及消息幀長來進行系統(tǒng)設(shè)計的。所有的VL必須共享100 MB/s的物理帶寬，給交換機提供一個配置表從而定義網(wǎng)絡(luò)配置。每一個端口的隊列以及用來進行消息路由的交換機都會引入一個抖動延遲的概念。抖動是一個隨機延遲，它的大小取決于特定時間內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，發(fā)送端系統(tǒng)的輸出抖動延遲必須小于500 μs，抖動邊界不包含交換機和接收端系統(tǒng)的抖動。在虛鏈路VL上發(fā)送的消息都包含一個序列編號，這樣接收端系統(tǒng)就可以根據(jù)接收到的消息序列編號對消息進行排序，對信息的完整性進行檢查。

    AFDX在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用商用貨架產(chǎn)品技術(shù)和開放式標準，可以縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高航空電子系統(tǒng)的通信速率。但是，AFDX的通信模式無法滿足實時任務(wù)的可預(yù)測性和低延遲等要求，因此，研究AFDX的實時性成為一個重要的課題。

2.2 Fibre Channel

    Fibre Channel（FC）是美國國家標準協(xié)會（ANSI）發(fā)布的一種高性能數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標準。該協(xié)議標準支持以銅纜和光纖為物理層的長距離傳輸，它的物理層上支持多種協(xié)議。協(xié)議標準被應(yīng)用于軍用飛機航空電子設(shè)備，尤其是在美國海軍F-18E/F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)升級，它是一種全雙工的通信協(xié)議，它支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，如：點對點、仲裁環(huán)、交換機。FC支持以下幾類傳輸方式：

    (1)提供專用的確定連接，并保證消息的投遞和時序；

    (2)無連接和提供信息的順序，提供投遞確認；

    (3)無連接的和未經(jīng)證實。與SpaceWire相似，流量控制是基于端口緩沖容量。數(shù)據(jù)只有在端口緩沖容量充足的情況下才能發(fā)送。

    隨著網(wǎng)路的復(fù)雜度增加，交換機的延遲也隨之增加。當(dāng)光纖通道速率很快時，F(xiàn)C的標準形式是不確定的，它可以將其他標準加入到光纖通道中，解決其延遲不確定的問題。例如：FC-AE-1553，基于MIL-STD-1553現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計，創(chuàng)建一個確定的命令/響應(yīng)協(xié)議，這樣就可以充分利用光纖通道和MIL-STD-1553兩種協(xié)議的優(yōu)點。

2.3 Time-Triggered Communication protocol

    Time-Triggered Communication protocol（TTP/C）第一版誕生于1993年，奧地利的公司TTTech已經(jīng)將該標準用ASIC電路實現(xiàn)并有現(xiàn)貨供應(yīng)，該協(xié)議硬件電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各家系統(tǒng)制造廠商。TTP/C已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種載人交通工具中，如：美國國家航空航天局(NASA)在獵戶座(Orion)飛船電子系統(tǒng)，空客A380的壓力控制艙、軍機的數(shù)字發(fā)動機控制器以及瑞士等國鐵路信號和交換系統(tǒng)，也被用在一些基于總線驅(qū)動的概念車中。TTP/C具備高等級可靠性和可用性，并且其產(chǎn)品價格合理。

    TTP/C是一種可容錯的基于時間觸發(fā)的協(xié)議，支持在多個節(jié)點上實施冗余節(jié)點和冗余功能，通信控制芯片的操作基于其內(nèi)部的容錯高精度全局時鐘來建立的時間基準。TTP/C協(xié)議沒有總線主從概念，這樣當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)失效節(jié)點時，不會影響其他節(jié)點的正常通信。TTP/C通信控制硬件中包含總線監(jiān)聽，它與其他節(jié)點一樣并共用時鐘，系統(tǒng)中的成員互相告知其他成員的健康狀態(tài)以及發(fā)送器和接收器設(shè)置的消息狀態(tài)。TTP/C的設(shè)計是獨立于物理層，控制芯片支持在RS-485總線上以5 MB/s、在以太網(wǎng)PHY層以25 MB/s以及在千兆以太網(wǎng)物理層以1 GB/s的傳輸速率傳輸。TTP/C的容錯假設(shè)是保證通信系統(tǒng)中允許其架構(gòu)中的元件有任意一個錯誤，可以根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計來克服多個錯誤。

2.4 IEEE 1394b

    IEEE 1394b是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航天的通信協(xié)議。根據(jù)證實Jet Propulsion Laboratory’s已經(jīng)利用IEEE1394-1995完成深太空系統(tǒng)科技項目X2000容錯航空系統(tǒng)的設(shè)計。IEEE 1394b廣泛應(yīng)用在航天項目源于其基于銅線的高傳輸速率，并且其IP已經(jīng)通過ASIC實現(xiàn)。IEEE 1394b支持的傳輸速率范圍從100 MB/s～3.2 GB/s。其傳輸?shù)拿浇榭梢允瞧帘?、非屏蔽雙絞線以及玻璃光纖，傳輸介質(zhì)材料和長度決定著該標準的最大傳輸速率。

    IEEE 1394b的特性是包含等時傳輸和異步傳輸。對等時傳輸?shù)闹С?，可以保證在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定數(shù)據(jù)量的傳輸。非常有利于圖像、聲音等對時間延遲比較敏感的數(shù)據(jù)傳輸。異步請求/響應(yīng)方式可重復(fù)性可用于對傳輸正確性要求較高的傳輸，如指令數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等。

    IEEE 1394使用點對點連接形成“樹形”拓撲結(jié)構(gòu)，不支持“環(huán)形”拓撲。該協(xié)議具備禁止端口功能，這樣可以先將整個系統(tǒng)端口連成環(huán)形，并通過鏈接失效禁止失效端口，從而重建所有節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)。該協(xié)議初始化首先給節(jié)點分配地址，選擇“根”節(jié)點，每次增加或刪除器件，系統(tǒng)自動重新進行初始化配置。

2.5 SpaceWire

    SpaceWire是歐空局提出應(yīng)用于其衛(wèi)星和航天器的協(xié)議。該協(xié)議主要基于現(xiàn)有的兩個標準：IEEE 1355和LVDS。該協(xié)議已經(jīng)應(yīng)用于NASA的Swift航天器以及許多ESA的航天器，如：Rosetta，并將應(yīng)用于詹姆斯韋伯天文望遠鏡。歐盟航天標準協(xié)會已經(jīng)發(fā)布該協(xié)議的規(guī)格書。

    該協(xié)議的物理層傳輸采用屏蔽雙絞線，并且是點對點的。一個大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過集線器或是交換機完成消息從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的路由。因此，消息包含集線器或交換機需要使用的接收節(jié)點的地址和路由信息。該協(xié)議沒有指定集線器和交換機的仲裁機制。該協(xié)議建立了一個端口緩存容量的鏈接流量管控概念，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)不能超過一個端口的緩存容量，流量管控標識實時追蹤可用的緩存大小。該規(guī)格書定義最大數(shù)據(jù)傳輸速率為400 MB/s，數(shù)據(jù)的發(fā)送是基于事件觸發(fā)。

2.6 MIL-STD-1553

    MIL-STD-1553是“飛機內(nèi)部時分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線”的代稱，其修訂版本于1978年發(fā)布，并于1996年發(fā)布最終版本。MIL-STD-1553是最早一代在系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€標準，其最早應(yīng)用在美軍F-16和AH-64A阿帕奇直升機。目前MIL-STD-1553B已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類衛(wèi)星、航天器及國際空間站。

    MIL-STD-1553定義了一個雙冗余的總線?？偩€通信介質(zhì)包括由兩根屏蔽絞合的電纜、總線端子、匹配電阻、總線耦合變壓器以及收/發(fā)器等。該協(xié)議中的內(nèi)部節(jié)點采取時分多路存?。═DMA）技術(shù)，總線上包括一個用來管理總線傳輸?shù)目偩€控制器(BC)和多個終端節(jié)點(RT)。終端節(jié)點(RT)發(fā)送數(shù)據(jù)不需同步時鐘，并只有在BC許可下，其才能完成數(shù)據(jù)傳輸。BC的命令是異步的或是按照其時鐘周期發(fā)送的。如果總線上的BC失效，備份BC會立即接管總線。在總線雙冗余的配置條件下，數(shù)據(jù)不會在兩條總線上同時傳輸。正常操作下，RT節(jié)點的第一條總線負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，此時第二條總線處于熱備份狀態(tài)。只有當(dāng)RT的第一條總線失效后，第二條總線才進入工作狀態(tài)。這時BC可以在第二條總線上給RT節(jié)點發(fā)送一個“發(fā)送器關(guān)閉命令”來禁止RT節(jié)點在第一條總線上發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)。這樣，RT的第二條總線就可以繼續(xù)正常的通信了。

    目前，基于其高可靠性，MIL-STD-1553在軍用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)系統(tǒng)需要實時速度傳輸大數(shù)據(jù)時，MIL-STD-1553協(xié)議就顯得容量不足。同時MIL-STD-1553協(xié)議組件的成本也相對于商業(yè)通信組件（如以太網(wǎng)）較高。因此，該協(xié)議不能勝任軍用系統(tǒng)對下一代總線的要求。

2.7 SAFEbus

    SAFEbus是霍尼韋爾公司負責(zé)設(shè)計的ARINC659協(xié)議注冊商標。它是飛機機艙內(nèi)一個計算集群的背板總線。目前，它是波音777客機主體框架的一部分，飛機艙間的通信是通過其他總線協(xié)議完成的。SAFEbus是一個線型多點串行通信總線，使用4條串行總線同時半雙工傳輸和交叉校驗的通信方式，其結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)可靠性。

    SAFEbu協(xié)議專為商用客機的關(guān)鍵安全系統(tǒng)設(shè)計，其具有相當(dāng)高安全可靠性和多重冗余。該協(xié)議中大多數(shù)功能是在BIU中完成的，BIU中的時間同步和數(shù)據(jù)發(fā)送控制都基于消息時序。每一個節(jié)點都有一對可以分別驅(qū)動兩條總線的BIU，每個節(jié)點都可以讀取四條總線上的數(shù)據(jù)。BIU可以作為總線管理來監(jiān)聽其他的BIU發(fā)送的數(shù)據(jù)以及時序。這樣就可以阻止失效BIU在總線上發(fā)送錯誤消息。該協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸是基于時間觸發(fā)的，并按照消息的時序表完成。利用一個全局時鐘將所有消息同步起來。所有節(jié)點的時鐘是通過高精度專用時鐘完成的同步。因為消息時序表中包含發(fā)送器和接收器的地址信息，所以消息數(shù)據(jù)包中不包含發(fā)送和接收器地址的頭信息，只有數(shù)據(jù)載荷。因為該協(xié)議中各節(jié)點的BIU對它們所有的總線分別進行校驗，該協(xié)議對消息中的數(shù)據(jù)不進行CRC校驗和奇偶校驗。這些特性促使該協(xié)議十分有效而且不需要主從傳輸?shù)膮f(xié)議。

    SAFEbus協(xié)議的關(guān)鍵安全功能是十分值得信賴的，但是其成本相當(dāng)昂貴。它的硬件采用多重冗余結(jié)構(gòu)，并且是霍尼韋爾公司的專利，市場沒有符合該標準的現(xiàn)貨元件。除了霍尼韋爾發(fā)明ARINC659標準，沒有第二家設(shè)計兼容ARINC659標準組件的獨立公司。

3 軍用網(wǎng)絡(luò)總線對比列表

    通過對以上各種主流的軍用總線進行分析，為了滿足分布式IMA對新一代的航電總線高帶寬、高實時性、高兼容性、高可靠性等要求，目前AFDX總線、FC總線和TTP/C總線正是為了適應(yīng)這種新的需求而被設(shè)計開發(fā)出來。表1是新一代AFDX總線、FC總線和TTP/C總線的性能對比說明。

    根據(jù)表1中三種總線的性能對比：TTP/C協(xié)議可同時滿足實時和非實時應(yīng)用的需要，可在飛機中實現(xiàn)完全統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，因其采用時間觸發(fā)機制，在實時性、延遲性以及消息競爭方面有很大的優(yōu)勢，能夠支持多種通信介質(zhì)，并能夠支持普通以太網(wǎng)、AFDX等多種報文通信，易于升級，有很大的普遍適用性，其高達1 Gb/s甚至10 Gb/s的傳輸速率能夠滿足大數(shù)據(jù)量實時通信的要求。TTP/C的各項特點都滿足下一代航電總線高數(shù)據(jù)量、高實時性等的技術(shù)特點，尤其是它支持各種實時或非實時的數(shù)據(jù)在同一鏈路中傳輸?shù)奶攸c，非常適合對空間、尺寸、功耗都極其敏感的航空航天應(yīng)用，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計也極大節(jié)省了開發(fā)、測試、維護的時間和成本，基于TTP/C總線的航電體系架構(gòu)注定會成為下一代航電系統(tǒng)的主導(dǎo)。

4 結(jié)束語

    本文通過對當(dāng)前主流的幾種新型航空總線比較分析，認為TTP/C以其特有的時間觸發(fā)機制保證了高的延遲性，能夠滿足航電系統(tǒng)周期性和非周期的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，并能很好地適應(yīng)未來航電統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展。國外TTP/C相關(guān)產(chǎn)品已投入應(yīng)用。國內(nèi)也應(yīng)將大力開展對TTP/C的研究，研制開發(fā)符合我國軍用電子系統(tǒng)的新一代軍用實時以太網(wǎng)總線，并制定相關(guān)標準規(guī)范，提高我國的軍用電子系統(tǒng)的綜合一體化水平。

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