摘 要： 数据总线作为航空电子系统的“骨架”和“神经”，与航空电子技术的发展同步进行，相互促进，对航空电子系统起着至关重要的作用。主要概述航空机载数据总线及其发展现状，介绍目前几种典型的机载数据总线技术，分析传输协议、拓扑结构、技术特点及应用现状，并进行比较，论述了可变规模互连接口（SCI）和光纤通道技术在未来航空领域具有广阔的应用前景。
关键词： 机载航空电子设备； 数据总线； SCI总线； FC总线
中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）04⁃0064⁃06
Study on avionic data bus technology
TANG Ning， CHANG Qing
（National Key Laboratory of ATR， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）
Abstract： As the “framework” and “nerve” of aviation electronic systems， the airborne data bus plays an important role， develops with aviation electronic technique simultaneously， and promotes each other as well. Several typical airborne data bus techniques and their development actualities at present are summarized in this paper. Their transmission protocols， topology structures， technique characteristics and application actualities are analyzed and compared. The expansive application foreground of SCI （scalable coherent interface） and FC （fiber channel） technology in the aviation domain is discussed.
Keywords： airborne avionics； data bus； SCI bus； FC bus
0 引 言
随着航空电子系统的发展，各类飞行器搭载了越来越多的观测仪器和电子设备，这些仪器和设备之间的数据交换、信息共享和综合处理的数据总量也在迅猛增长，对航空电子数据总线提出更高层次的要求。许多发达国家投入了大量的研究，用来开发新一代航空航天数据总线技术，并在相关领域取得了较大的进展。国内在20世纪80年代起，对国际最新数据总线技术及时跟进，制定了高速数据总线的技术规范，取得了一些重要成果，但总线技术应用水平与美国、日本等发达国家相比，差距仍十分明显。本文概述航空机载数据总线的发展和研究现状，阐述几种典型的数据总线技术，对传输协议、拓扑结构、主要技术特点、应用现状进行较详细探讨，并对其进行比较。
1 机载数据总线的概述
机载数据总线技术是用于机载设备、子系统直至模块之间的互连技术，从计算机网络观点来看，航空电子设备相当于一台微机，它们以机载数据总线为纽带，互连成网络系统，完成数据信息的传输任务。目前其应用领域已经扩展到舰船、卫星、导弹和坦克等各种机动平台上，在本质上，它是一种实时网络互连技术[1]。
机载数据总线技术源于航空电子综合系统的发展[7]，美军航空电子系统经历了先前的四个阶段：第一代分离式航空电子系统，导航、雷达等系统工作完全独立，初期的系统在处理任务中甚至依赖飞行员判断；第二代联合式航空电子系统，各个子系统各个功能相互独立，不同设备间较少有数据交互；在第三代综合式航空电子系统中，提出了“模块”概念，利用计算机构成信息处理模块，从而取代子系统，系统具有良好的可扩展性，功能比较丰富能够处理复杂的任务；目前正过渡到第四代“先进综合式”的研究阶段，采用“统一网络”实现子系统、模块乃至处理芯片之间的互联，具有高速、可扩展性、低延迟和可容错的特点。
2 典型的机载数据总线
目前已投入使用及研究中的民用的典型机载数据总线有：ARINC⁃429/629，CSDB，STAN⁃AG⁃3838/3910，LTPB，FDDI，AFDX等。
军用典型机载数据总线有：MIL⁃STD⁃1553B，1773，SCI和FC等。
2.1 ARINC⁃429
ARINC⁃429总线协议是美国航空电子工程委员会（Airlines Engineering Committee）制定的一种串口标准，规定了航空电子设备与有关系统间的数字信息传输要求[3]。
ARINC⁃429是点对点式的传输协议，总线上至多可以有20个接收设备，如图 1所示。一般情况下，总线长度为53 m以下。
图1 ARINC⁃429总线数据传输结构图
ARINC⁃429总线系统拓扑结构主要有星型和总线型两种，如图 2所示。
图2 ARINC⁃429数据总线拓扑结构
ARINC⁃429主要特点是：
（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。
（2） 驱动能力：每条总线上可以连接不超过20个接收器。
（3） 调制方式：采用BNR码，调制信号由“高”、“零”和“低”三电平状态。
（4） 传输速率：分高低两档，高速为100 Kb/s，低速在12～14.5 Kb/s范围内。
（5） 同步方式：传输的基本单位是字，每个字由32位组成。
ARINC⁃429总线结构简单，性能稳定，采用非集中控制、传输可靠、错误隔离性好，缺点表现为带宽有限，接口不能适应新的微处理器，异步回路有较大的延迟等。ARINC⁃429广泛应用在民航客机、兵器领域的科研院所和生产单位中，如B⁃737、B⁃757、B⁃767，发展到下一代替代标准有ARINC⁃629/664和STAN⁃AG⁃3838/3910。
2.2 线性令牌传递数据总线
近几年来，光纤数据总线技术成为了机载数据总线研究的热点之一，其中最具代表性的是光纤数据总线线性令牌传递总线（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。如图3所示。
图3 LTPB星形冗余结构
LTPB主要特点有：
（1） 传输方式：采用一个限时令牌多优先级传输协议，网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。
（2） 调制方式：采用曼彻斯特Ⅱ型码。
（3） 传输速率：20 Mb/s。
（4） 同步方式：冗余方式可以有同步和异步之分，同步方式指系统中冗余的部件和介质同时工作，接收端按一定的原则取得有效数据；异步方式指系统正常工作时仅有一个通道工作，如发现错误，则切换到备份通道上传输。
LTPB总线技术广泛的使用在美国战机上，如海A⁃12、空YF⁃22和YF⁃23战机，在第4代F⁃22“猛禽”战斗机也采用该总线技术，已被确认在美国下一代军用机上的航空电子局域网上使用。
2.3 光纤分布式数据接口
光纤分布式数据接口（Fibre Distributed Data Interface，FDDI）是由美国国家标准化组织（ANSI）制定的在光缆上发送数字信号的一组协议，标准号为ANSI⁃X3.229。ISO和IEEE分别将FDDI技术接纳为国际标准。FDDI协议基于令牌环协议，如图 4可以看出，FDDI将OSI模型的物理层和数据链路层分成两个子层。
物理层包括成两个子层：PHY子层规定了传输编码和译码、时钟要求及符号集合；媒体相关层PMD规定了光纤媒体应具备的条件及连接器等。
图4 FFDI分层结构
数据链路层包括两个子层：媒体访问控制（MAC）规定FDDI定时令牌协议所需要的帧格式、寻址和令牌处理；逻辑链路控制（LLC）为用户提供了交换数据的方法。
站管理（SMT）标准定义如何对物理媒体相关层、物理层协议层和媒体访问控制部分进行控制和管理。
FDDI拓扑结构使用双环令牌，由主环和备用环组成，在正常情况下，主环用于数据传输，备用闲置，因而具有较强的容错能量，FDDI拓扑结构如图 5所示。
图5 FDDI拓扑结构
FDDI主要特点有：
（1） 传输方式：采用令牌访问控制协议。
（2） 调制方式：采用BNR码。
（3） 传输速率：达到100 Mb/s，最多可连接500个节点，节点间最大距离2 km，消息最大长度2 250个字。
（4） 同步方式：同步和异步信息两种类型。同步信息指由延迟时间限制的控制、显示、遥测、话音等周期信息，强调信息的实时性。异步信息指没有延迟时间限制的网络管理、交互任务、大数据块消息等非周期信息。
FFDI技术不仅可靠、可行，而且能大大提升通信能力，大量应用于商业，军事和工业领域，美国三军联合航空电子系统工作小组（JIAWG）根据研究结果制定了AS⁃4074.2，美国海军新一代资源（NGCR）计划、波音777飞机、“自由号”空间站、“华盛顿”核动力航空母舰、DDG⁃S1和宙斯盾（AEGIS）导弹驱逐舰上都用该总线技术。
2.4 MIL⁃STD⁃1553B/1773
MIL⁃STD⁃1553B是1973年由美国军方和政府推出的军用标准多路数据传输总线协议，堪称现代作战飞机电子系统的“脊梁骨”，是为适应工业和军事的需要而提出，具有很高的可靠性和灵活性。其核心在于“标准”二字，使得机载雷达光电探测、导航、传感、控制综合联结，构成第三代战斗机标志性的分布式集中控制系统。
1553B采用命令/响应式传输协议，其典型的拓扑结构如图6所示。
图6 1553B总线拓扑结构
MIL⁃STD⁃1553B主要特点有：
（1） 传输方式：半双工传输方式。
（2） 驱动能力：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。各终端之间信息传输方式有：BC到RT，RT和BC，RT到RT，广播方式和系统控制方式。
（3） 调制方式：曼彻斯特Ⅱ型码。
（4） 传输速率：1 Mb/s。
（5） 同步方式：总线上的信息流由3种类型的字消息组成：命令字、数据字和状态字。字长为20位，前三位为3个位长的同步字头，中间有效信息位是16位，最后1个奇偶校验位。
1553B从20世纪70年代至今广泛用于军事、工业和科技领域，美大型运输舰、空间补给站、轰炸机、战斗机F⁃16A、导弹、直升机及飞机器和导弹之间都使用过该总线技术。我国的“神舟”飞船和“实践5号”小卫星上也采用这种总线技术。
1553B的缺点是总线带宽不足、容错能力有限、维修复杂[4]。在1988年美国军方制定的军用标准MIL⁃STD⁃1773是美军航空电子综合系统的标准总线，是对1553B标准在传输介质上的改进[5]，即利用光纤来取代传统双绞线或电缆，具有1 Mb/s和20 Mb/s两种速率，高层协议与1553B相同。其优异的性能已被美国国家航空航天局（NASA）和海军使用，其中F18战斗机也是使用该标准，有“一网盖三军”之称，国内也有相应的技术跟进，制定了国军标“GJB289A”和“GJB2663”标准，并已应用于国产先进战斗机中。
2.5 可变规模互连接口
可变规模互连接口（Scalable Coherent Interface，SCI）也称可扩展一致性接口，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，于1992年正式被称为IEEE标准[6]。
SCI基本协议包括三个层次：物理层、逻辑层和缓存一致层（可选）。
图7 SCI总线协议
物理层对SCI的数据链路规范，链接方式即网络接口等作规定；逻辑层主要规定SCI的数据包格式，并描述事务协议，详细的逻辑协议由C代码表述；缓存一致层主要是针对并行计算机的贡献存储器模型提出的，该部分在SCI基本协议的正式标准中是可选部分。
SCI拓扑结构如图 8所示，SCI主要规定了两种互连链路标准：18⁃DE⁃500和1⁃FO⁃1250。
图8 SCI的基本环形拓扑和接口模型
SCI主要特点有：
（1） 传输方式：18⁃DE⁃500并行链路采用电介质，差分信号传输；1⁃FO⁃1250串行链路采用光纤介质，主要使用于长距离的互连。
（2） 驱动能力：SCI对接口规范做了规定，因此SCI可以支持灵活的拓扑形式，并可互连各种总线的桥。
（3） 传输速率：串行通信通常采用光纤介质，带宽可达1.25 Gb/s；而并行通信通常采用电介质，单个信号线提供的带宽为500 Mb/s，高性能多计算机互连时，带宽可达8 Gb/s。
（4） 同步方式：并行通信下，SCI链路为18位宽，其中1位为时钟位，1位为标志位和16位数据位，这18位信息称为一个符号。
SCI因其接口灵活，应用广泛。目前是大部分第三代航电系统使用的数据总线类型，也已经被美国选定为第四代航空数据总线的候选者之一。
2.6 光纤通道
光纤通道（Fiber Channel，FC）是美国国家标准委员会ANSI于1998年开始制定的数据通信标准，它是关于计算机之间以及I/O设备之间的一种开放式高速据通信标准，部分已成熟的ANSI标准于2005年被ISO/IEC组织采纳为国际标准。它定义了多种硬件系统之间大量数据交换的通信接口，是一个包含几十个标准文件的庞大的协议簇[7]。
光纤通道按照协议层之间技术相互独立，留有增长空间，并且由具有资质的标准化机构进行开发，其分层结构如图9所示。
图9 光纤通道通信协议结构
FC⁃0物理链路层定义了光纤通道的物理介质，连接规定了协议提供的传输速率。
FC⁃1编码/解码层定义了传输协议，包括串行编码和解码规则以及差错控制。
FC⁃2链路控制层规定了数据传输的主要规则和机制，提供了数据块从一个端口传输到下一个端口的传输机制、通讯模型、拓扑结构、通用交换网模型、以及帧格式、帧序列、通信协议和服务分类等。
FC⁃3公共服务层对物理和信号层以上的高层协议提供了一套通用的公共通信服务。
FC⁃4映射协议层是光纤通道协议结构的最高层，定义了光纤通道的应用接口，规定了多层上层协议到光纤通道的映射。
光纤通道三种拓扑结构如图10所示。
光纤通道具主要技术特点：
（1） 传输速率：码间传输为1.062 Gb/s，全双工可达2.12 Gb/s，通过多通道可扩展至高达4.24 Gb/s。
（2） 驱动能力：支持点对点、令牌环、星型等多种拓扑结构，环路结构最多连接127个设备；星型拓扑最多可连接1 600个设备。
（3） 调制方式：采用8 b/10 b编码。
（4） 能够提供无确认的交付，适用于低开销、大块数据应用程序的数据传输.支持无错封包传输，提供有保证的顺次数据帧交付，适用于任务报文的交付。
（5） 光纤通道不包括本地的上层协议，而是定义各种传输层之间的协议映射和一系列光纤通道交换和系列。
图10 光纤通道拓扑结构
光纤通道技术受到国外尤其是美国军方的重视，美国军方专门成立了FC⁃AC小组，制定航空电子光纤通道FC⁃AE标准。目前，FC⁃AE协议的一部分FC⁃AE⁃1553协议于2004年4月制定完毕[8]，该协议定义MIL⁃STD⁃1553总线协议和FC高层协议之间的映射关系。光纤通道已在美轰炸机B1⁃B，U2上使用，在F⁃35飞机研制中，光纤通道技术已成为其高速网络构建的基础。
3 分析比较
通过对比上述数据总线的传输速率、单消息字节数，最大节点数，可以看出数据总线从早期的ARINC⁃429到SCI、光纤通道总线技术，总线的各项性能在逐步增强，主要表现在传输速率在极大的提高，达到Gb/s级的带宽，单消息字节数逐步增加，最大节点个数更多，连接更趋灵活，可以搭载更多的终端，完成更多的数据传输业务。
数据总线总体朝着功能更强、体积更小、重量更轻、可靠性更高、维修更方便、成本更低的趋势发展，数据总线技术在很大程度上提升飞机的性能，提高了飞机完成任务的能力。
典型机载数据总线各项指标的综合对比见表1。
4 结 语
数据总线技术是现代先进飞行器操作系统和航空电子综合化最重要的关键技术之一，数据总线决定航空电子系统综合化程度的高低。
在数据总线的选择和使用上，应综合考虑其带宽要求、可靠性、实时性、是否是国际标准、军、商业化程度、性价比及抗恶劣环境等因素。目前ARINC429，1553B，1773虽然在稳定性和可靠性方面具有较大的优势，但由于其数据速率只有10 Kb/s～20 Mb/s，已远远不能适应未来航空数据总线技术发展的需求，但仍可用于分布距离较短的机载、舰载环境以及对数据传输要求一般的环境。
在第三代综合式航空电子系统时代，LTPB和FFDI作为高速数据总线传输方案，使得信息实现更高一层次的综合。在第四代先进综合式航空电子系统中，传输的数据也不仅仅只是命令与状态控制信息，中间还有大量的探测及处理信息，要求具备Gb/s级的传输速率及μs级延迟，SCI、FC均能满足要求，同时，经美国航空电子综合产品专家组（IPT）对数据总线特性的综合评定，已将SCI和FC纳入为JSF（第五代联合攻击机项目）统一互连网络的选择方案，SCI和FC以高带宽、低延迟的特性，在未来航空电子数据总线领域将具有很大的应用前景。
图11 典型总线数据对比
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