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(jī)對機(jī)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(qiáng)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(jì)算模塊中剝離，使其靠近作動器（Actuator）和傳感器（Sensor），同時(shí)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(diǎn)，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(shí)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(yán)格的時(shí)間確定性

    DIMA采用全局統(tǒng)一時(shí)鐘，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及處理都在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。通過時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會傳播到整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)通過雙鏈路通信方式進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行了時(shí)間、空間和網(wǎng)絡(luò)上的劃分，并且通過硬件層面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（I/O、Actuator、 Sensor），整個(gè)航電系統(tǒng)的復(fù)雜度得到降低，聯(lián)調(diào)測試時(shí)間也大大縮短。同時(shí)，單個(gè)子系統(tǒng)的更換對整個(gè)航電系統(tǒng)的影響也大幅減少。

    (4)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的整合性

    DIMA采用開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，保證了系統(tǒng)的兼容性及可演進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在其研制的大型客機(jī)A380中使用。AFDX通信協(xié)議是基于商用標(biāo)準(zhǔn)（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(shí)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。所有的VL必須共享100 MB/s的物理帶寬，給交換機(jī)提供一個(gè)配置表從而定義網(wǎng)絡(luò)配置。每一個(gè)端口的隊(duì)列以及用來進(jìn)行消息路由的交換機(jī)都會引入一個(gè)抖動延遲的概念。抖動是一個(gè)隨機(jī)延遲，它的大小取決于特定時(shí)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(jī)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(gè)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(jìn)行排序，對信息的完整性進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)時(shí)任務(wù)的可預(yù)測性和低延遲等要求，因此，研究AFDX的實(shí)時(shí)性成為一個(gè)重要的課題。

2.2 Fibre Channel

    Fibre Channel（FC）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）發(fā)布的一種高性能數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用于軍用飛機(jī)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(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如：點(diǎn)對點(diǎn)、仲裁環(huán)、交換機(jī)。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(shí)序；

    (2)無連接和提供信息的順序，提供投遞確認(rèn)；

    (3)無連接的和未經(jīng)證實(shí)。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(jī)的延遲也隨之增加。當(dāng)光纖通道速率很快時(shí)，F(xiàn)C的標(biāo)準(zhǔn)形式是不確定的，它可以將其他標(biāo)準(zhǔn)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(jì)，創(chuàng)建一個(gè)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(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)用ASIC電路實(shí)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(jī)的數(shù)字發(fā)動機(jī)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(jià)格合理。

    TTP/C是一種可容錯的基于時(shí)間觸發(fā)的協(xié)議，支持在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上實(shí)施冗余節(jié)點(diǎn)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(shí)鐘來建立的時(shí)間基準(zhǔn)。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(diǎn)時(shí)，不會影響其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)一樣并共用時(shí)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(jì)是獨(dú)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(gè)錯誤，可以根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)來克服多個(gè)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(shí)Jet Propulsion Laboratory’s已經(jīng)利用IEEE1394-1995完成深太空系統(tǒng)科技項(xiàng)目X2000容錯航空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。IEEE 1394b廣泛應(yīng)用在航天項(xiàng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸速率。

    IEEE 1394b的特性是包含等時(shí)傳輸和異步傳輸。對等時(shí)傳輸?shù)闹С?，可以保證在規(guī)定的時(shí)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(shí)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(diǎn)對點(diǎn)連接形成“樹形”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不支持“環(huán)形”拓?fù)?。該協(xié)議具備禁止端口功能，這樣可以先將整個(gè)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(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該協(xié)議初始化首先給節(jié)點(diǎn)分配地址，選擇“根”節(jié)點(diǎn)，每次增加或刪除器件，系統(tǒng)自動重新進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)：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(yuǎn)鏡。歐盟航天標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)對點(diǎn)的。一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過集線器或是交換機(jī)完成消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由。因此，消息包含集線器或交換機(jī)需要使用的接收節(jié)點(diǎn)的地址和路由信息。該協(xié)議沒有指定集線器和交換機(jī)的仲裁機(jī)制。該協(xié)議建立了一個(gè)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(gè)端口的緩存容量，流量管控標(biāo)識實(shí)時(shí)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(jī)內(nèi)部時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，其最早應(yīng)用在美軍F-16和AH-64A阿帕奇直升機(jī)。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(gè)雙冗余的總線。總線通信介質(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(diǎn)采取時(shí)分多路存?。═DMA）技術(shù)，總線上包括一個(gè)用來管理總線傳輸?shù)目偩€控制器(BC)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)(RT)。終端節(jié)點(diǎn)(RT)發(fā)送數(shù)據(jù)不需同步時(shí)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(shí)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(shí)傳輸。正常操作下，RT節(jié)點(diǎn)的第一條總線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)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(jìn)入工作狀態(tài)。這時(shí)BC可以在第二條總線上給RT節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“發(fā)送器關(guān)閉命令”來禁止RT節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)速度傳輸大數(shù)據(jù)時(shí)，MIL-STD-1553協(xié)議就顯得容量不足。同時(shí)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(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的ARINC659協(xié)議注冊商標(biāo)。它是飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)一個(gè)計(jì)算集群的背板總線。目前，它是波音777客機(jī)主體框架的一部分，飛機(jī)艙間的通信是通過其他總線協(xié)議完成的。SAFEbus是一個(gè)線型多點(diǎn)串行通信總線，使用4條串行總線同時(shí)半雙工傳輸和交叉校驗(yàn)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(jī)的關(guān)鍵安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(shí)間同步和數(shù)據(jù)發(fā)送控制都基于消息時(shí)序。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一對可以分別驅(qū)動兩條總線的BIU，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)間觸發(fā)的，并按照消息的時(shí)序表完成。利用一個(gè)全局時(shí)鐘將所有消息同步起來。所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是通過高精度專用時(shí)鐘完成的同步。因?yàn)橄r(shí)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?yàn)樵搮f(xié)議中各節(jié)點(diǎn)的BIU對它們所有的總線分別進(jìn)行校驗(yàn)，該協(xié)議對消息中的數(shù)據(jù)不進(jìn)行CRC校驗(yàn)和奇偶校驗(yàn)。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(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)貨元件。除了霍尼韋爾發(fā)明ARINC659標(biāo)準(zhǔn)，沒有第二家設(shè)計(jì)兼容ARINC659標(biāo)準(zhǔn)組件的獨(dú)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(jìn)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(shí)時(shí)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(jì)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(shí)滿足實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要，可在飛機(jī)中實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，因其采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，在實(shí)時(shí)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(bào)文通信，易于升級，有很大的普遍適用性，其高達(dá)1 Gb/s甚至10 Gb/s的傳輸速率能夠滿足大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)通信的要求。TTP/C的各項(xiàng)特點(diǎn)都滿足下一代航電總線高數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性等的技術(shù)特點(diǎn)，尤其是它支持各種實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)在同一鏈路中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，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(jì)也極大節(jié)省了開發(fā)、測試、維護(hù)的時(shí)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(rèn)為TTP/C以其特有的時(shí)間觸發(fā)機(jī)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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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