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1、航空总线技术,1.3 机载数据总线简介,主要介绍目前已投入使用及研究中的机载数据总线。ARINC-429和629、CSDB、MIL-STD-1553B和1773、STAN-AG-3838/3910、HSDB、LTPB、FDDI、SCI、FC、AFDX。,1.3.1 ARINC-429数据总线,ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会(Airlines Engineering Committee)于1977年7月提出的，并于同年同月发表并获得批准使用。它的全称是数字式 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的数字信息传输要求。ARINC429广泛应用在先进的民航客机
2、中，如B-737、B757、B-767，俄制军用飞机也选用了类似的技术。我们与之对应的标准是HB6096-SZ-01,ARINC429总线结构简单、性能稳定，抗干扰性强。最大的优势在于可靠性高，这是由于非集中控制、传输可靠、错误隔离性好。ARINC429特点如下：1、传输方式 2、驱动能力 3、调制方式 4、传输速率 5、同步方式,1、传输方式 单向方式。信息只能从通信设备的发送口输出，经传输总线传至与它相连的需要该信息的其他设备的接口。但信息决不能倒流至已规定为发送信息的接口中。在两个通信设备间需要双向传输时，则每个方向上各用一个独立的传输总线。由于没有1553B总线的BC，信息分发的任务和
3、风险不再集中。2、驱动能力 每条总线上可以连接不超过20个的接收器。由于设备较少，信息传递有充裕的时间保证。,3、调制方式 采用双极型归零的三态码方式。4、传输速率 分高低两档，高速工作状态的位速率为100Kb/s。系统低速工作状态的位速率应用在12Kb/s14.5Kb/s范围内。选定内容后的位速率其误差范围应在1%之内。高速率和低速率不能在同一条传输总线上传输。5、同步方式 传输的基本单位是字，每个字由32位组成。位同步信息是在双极归零码信号波形中携带着，字同步是以传输同期间至少4位的零电平时间间隔为基准，紧跟该字间隔后要发送的第一位的起点即为新字的起点,1.3.2 商业标准数据总线（CSD
4、B）,商业标准数字总线CSDB提供了面向字节的广播通信能力，支持低速12.5Kb/s和高速50Kb/s两种总线速率，目前广泛应用在民航客机、民用和军用运输机上。CSDB总线标准与ISO/OSI相对应，CSDB总线体系结构包括物理层和数据链路层：物理层规定了总线的机械特性和电气特性，数据链路层给出了数据帧的定义以及数据帧之间的定时要求，并对总线连接的各种航空设备的参数做出了详细的规定。,CSDB物理层是单向广播式异步串行总线标准，它可以构成单一信源、多接收器的传输系统。总线数据采用NRZ编码、差分方式传输。逻辑“1”规定数据线A相对于数据线B为“高电平”，逻辑“0”规定数据线B相对于数据线A为“
5、高电平”。总线信号的开始位为逻辑“0”，停止位为逻辑“1”。占8位长的字节被编码成11位的NRZ码传输：起始位，数据字节，奇校验位和停止位。CSDB总线驱动器和接收器的电气标准与RS422A电气标准兼容，总线上升时间和下降时间为：对于高速总线，大于0.8ms并且小于1.0ms；对于低速总线，应小于8.0ms。CSDB要求每个总线接收器增加的总线容性负载不能超过600pF，总线驱动器应能够在容性负载为012000pF之间的条件下正常工作。所有的驱动器和接收器都必须能够抵抗直流28V和交流115V 的瞬间短路。,CSDB逻辑链路层是面向字节的传输协议，固定长度的字节组成消息块，再由一定长度的消息块
6、组合成帧，封装在数据帧中的不同数据通过各自的地址字节加以区别，不同的数据帧之间通过同步消息块分割，总线信息结构如图1-5所示。,CSDB总线的基本传输单位有：字节(B)：每个字节占8位，采用异步方式传输，字节在总线上编码成11位长的NRZ码，包括1个起始位，8个数据位，1个奇校验位和1个停止位。消息块(Message Block)：消息块是一组固定长度的有序字节。每个消息块的第一个字节Byte0称为标识(或地址)，消息块通过标识来区分，而不是通过接收消息块的顺序来识别。消息块的长度是6B，在某条固定的CSDB总线上，所有的消息块的长度必须固定不变。帧(frame)：帧定义为两个同步消息块之间的
7、部分，在某一条确定的CSDB总线上，帧的定时长度是固定的，并且由互连的航空电子设备所要求的最大数据更新率决定。CSDB采用的是异步串行传输方式，通过起始位和停止位完成字节的位同步，因此在编码中不必带有时钟信息。帧同步通过识别同步消息块：6B的“A5”来实现，同步消息块标识了每个数据帧的开始位置。在CSDB数据帧中，数据可以采用BCD或BNR方式编码，每种数据帧按照地址块，状态块，1个2个数据块排列，空闲的数据位可以携带离散量和校验和。,1.3.3 MIL-STD-1553B数据总线,应用领域主要特征数据总线典型拓扑结构总线控制方式总线上的信息流,应用领域,1553B是为适应工业和军事的需要而提
8、出，具有很高的可靠性和灵活性，加之技术比较成熟，所以应用比较广泛。目前，已广泛地应用于军事、工业和科技领域，从大型运输舰、空间补给站、轰炸机到各种战斗机，以及直升机，都有其应用，它甚至用于导弹系统，以及用作飞机器和导弹之间的基本通信协议。,MIL-STD-1553B总线的主要特征：传输速度为1M bit/s,字的长度为20bit，数据有效长度为16bit，信息量最大长度为32个字，传输方式为半双工方式，传输协议为命令/响应方式，故障容错是典型的双冗余方式，第二条总线处于热备份状态，传输媒介为屏蔽双绞线，总线耦合方式为直接耦合和变压器耦合。,MIL-STD-1553B总线的主要构成有:1553B
9、总线接口模块，1553B总线耦合器，1553B电缆，电缆连接器，终端匹配等，它们由两根冗余总线连接。可挂接的32个终端按其作用分为：总线控制器(BC)、总线监控器(BM)、远程终端(RT)。每个终端被分配了唯一的总线形式，是调制成曼彻斯特码进行传送的。,1553B总线控制方式有集中模式的静态总线控制方式和分布模式的动态总线控制方式。静态总线控制方式是由一个固定的总线控制器帮助1553B总线上所有子系统间的消息通信，该方式具有通信控制简单、故障易检测、软硬件易实现等优点，但存在集中控制网络固有的单点故障造成通信瘫痪的致命缺点.,动态总线控制方式指1553B总线上有若十个具备作为总线控制器的子系统
10、，在一个时间段仅允许其中一个作为总线控制器，可由时分制方式或循环方式交接总线控制权，该方式具有分布控制网络的优势。另外，为满足航电总体指标的要求，可采用通信控制简单又能避免单点故障造成通信瘫痪的双余度静态总线控制器方式。,1553B总线拓扑结构,1553B消息字格式,1.3.4 线性令牌传递数据总线LTPB）,LTPB光纤网络的拓扑结构为星型结构，网络节点通过星型耦合器连接起来。,LTPB容错能力可通过简单的介质冗余获得，从图1-8可以看到，星型冗余的结构简单，任意节点的故障或关闭不会对系统中某他不相关的节点产生影响。冗余方式可以有同步和异步之分.,LTPB采用一个限时令牌多优先级传输协议，网
11、络上的节点共享一条广播式传输介质，当LTPB工作时，网络上的节点根据它们的物理地址、编码的大小组成逻辑环路，令牌沿逻辑环路逐节点传输。,光纤分布式数据接口FFDI,FFDI为环型拓扑结构，严格地说是反向旋转的双环结构。如图所示，网络中所有节点串接成一个环路。,为了保证系统具有单点容错能力，环型网络引入了两个技术：节点旁路技术反转旋转的双环结构,节点旁路是指通过光开关将某些节点隔离在环路之外。在机械环境中功耗和可靠性都是非常关键的因素，关闭暂时不用的节点有利于降低功耗和提高系统可靠性。节点旁路是分布控制的，每个节点独立地检测故障并进行旁路，既可旁路故障的节点，又可旁路关闭的节点。节点的旁路带来两
12、个问题：一是旁路开关引入了插入衰减，考虑到接收器的灵敏度，一般只能连续旁路几个节点，这相对于环型结构可支持的网络规模是很小的，限制了可关闭的节点数目。二是旁路开关引入了高达25ms的切换延时，很容易造成消息传输的超时。,反向旋转的双环结构是指同一组节点由两个环连接，两个环按相反的方向传输数据，主环使用顺时针，令牌次环使用逆时针令牌。正常情况下，次环是空闲的，当出现链路断开时，就进行环路重构，隔离链路故障，形成一个可工作的新环。环路重构之后新的环路的长度将要增加，对于机载环境，网络长度不大，环路长度增加的影响也不大。但是紧邻链路故障的节点内部要进行光路切换，如旁路一样要引入切换延时，对系统的实时
13、性有一定的影响。,1.3.6 可变规模互连接口(SCI),SCI(scalable Coherent Interface)可变规模互连接口，是一种可以提供千兆位互连带宽和微秒级传输延迟的高性能系统互连技术。SCI基本协议包括3个层次：物理层、逻辑层和缓存一致层(可选)。,SCI主要规定了两种互连链路标准：18-DE-500并行链路 1-FO-1250串行链路,全双工交换式以太网,AFDX 系统由航空电子系统、AFDX 终端节点和AFDX互连器等几部分组成。,航空电子系统：它是飞机上传统的航空电子系统，像飞行控制计算机、全球定位系统、疲劳监测系统等。航空电子计算机系统为航空电子系统提供了计算环境
14、，由终端节点实现航空电子系统与AFDX 的连接。,AFDX 终端节点：为航空电子系统与AFDX 的连接提供了“接口”，每一航空电子系统的终端节点接口保证了与其他航空电子系统的安全、可靠的数据交换，该接口向各种航空电子系统提供了应用程序接口(API)，保证了各设备之间通过简单的消息接口实现通信。,AFDX 互连器：它是一个全双工交换式以太网互连装置，它包含一个网络切换开关，实现以太网消息帧到达目的节点的传输切换，该网络切换技术基于传统的ARINC-429单向消息传输、点到点和MIL-STD-1553B总线技术。,由于目前广泛使用的以太网为半双工方式结构，没有中央控制计算机，从理论上讲，信息包的重
15、复传输中的碰撞是不可避免的，而碰撞导致延迟，严重时导致信息包无法传输出去。这种情况在航空电子数据网络系统中是不可接受的，这就要求在AFDX 的实现中，摆脱系统碰撞的限制，每个信息包到达目的节点的最大时间是已知的。,全双工交换式以太网的目标就是要消除碰撞，以及消除信息包从发送者到接收者的不确定时间。其实现方法是在网络系统中设置全双工交换机，作为数据信息交换中心枢纽，每个航空电子系统、自动驾驶仪、平显等直接连接到全双工的交换机，该交换机包括两个线对，一对用于发送(Tx)，一对用于接收(Rx)，交换机具有用于发送和接收的信息包的缓冲区，如图所示。,全双工交换结构消除了在半双工以太网中可能遇到的碰撞。但是，Rx和Tx缓冲区可能会溢出，其解决方法是为航空电子系统分配大小合适的缓冲区，以避免溢出；另一方面，全双工交换式以太网中信息包的阻塞也是不可避免的，作为代替碰撞和重发的交换机结构中，还可能产生抖动，这主要是一个信息包等待另一个信息包传输的随机延迟而引起的，这就要求系统中的抖动必须得到控制，以便所有的通信是确定性的。,机载数据总线对比,通过对上述机载数据总线的综合研究，从数据传输速率、单消息字节数和最大节点数几个方面对比，,
