0 引言

    近20年來,隨著信息技術、微電子技術的迅猛發展,航電系統在航空航天中的地位日益提高，飛機對機載電子設備的性能要求也越來越高。為滿足日益增加的對航電系統的要求,航空電子系統架構經歷了從聯合式電子系統向綜合式電子系統(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)系統的發展過程。

    為了適應當前綜合模塊化航空電子系統的發展要求,對軍用數據總線的帶寬以及協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系統背板散熱和安全配置的問題。將“虛擬背板”概念引入，結合了集中式系統與分布式網絡的特點，為分布式系統的高精度處理提供了保證。不同于傳統IMA的單一關鍵性，DIMA支持包含時間、安全以及任務關鍵功能在內的混合關鍵性。具有混合關鍵性的DIMA系統具有以下屬性：

    (1)嚴格的時間確定性

    DIMA采用全局統一時鐘，數據的發送、接收及處理都在規定時間內完成。通過時間、空間及網絡上的合理劃分，保證了數據的處理及傳輸不會發生沖突及擁塞。

    (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，單個節點的故障不會傳播到整個系統，同時通過雙鏈路通信方式進行冗余備份。

    (3)系統可組合性

    DIMA對不同等級的任務節點進行了時間、空間和網絡上的劃分，并且通過硬件層面進行標準化（I/O、Actuator、 Sensor），整個航電系統的復雜度得到降低，聯調測試時間也大大縮短。同時，單個子系統的更換對整個航電系統的影響也大幅減少。

    (4)與現有標準的整合性

    DIMA采用開放的技術標準體系，保證了系統的兼容性及可演進性。例如在處理器選用上兼容PowerPC和X86，操作系統采用基于開放的ARINC653標準的VxWorks、Linux，在通信網絡上采用基于以太網技術的網絡等。

2 國內外軍用總線技術比較分析

    為了適應分布式綜合航空電子系統的發展，針對當前主要的軍用數據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議標準，該標準已經在其研制的大型客機A380中使用。AFDX通信協議是基于商用標準（IEEE802.3以太網MAC地址，IP以及UDP），加上安全可靠通信的關鍵及非關鍵數據確定時間管理和裕度管理。

    確定性通信是通過分配端系統間的虛擬鏈路（VL）地址、延遲邊界以及消息幀長來進行系統設計的。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絡配置。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需要傳輸的數據量，發送端系統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的抖動。在虛鏈路VL上發送的消息都包含一個序列編號，這樣接收端系統就可以根據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在以太網的基礎上采用商用貨架產品技術和開放式標準，可以縮短開發周期，降低研發成本，提高航空電子系統的通信速率。但是，AFDX的通信模式無法滿足實時任務的可預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）是美國國家標準協會（ANSI）發布的一種高性能數據傳輸協議標準。該協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議。協議標準被應用于軍用飛機航空電子設備，尤其是在美國海軍F-18E/F“超級大黃蜂”戰斗機航空電子系統升級，它是一種全雙工的通信協議，它支持多種拓撲結構，如：點對點、仲裁環、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)無連接的和未經證實。與SpaceWire相似，流量控制是基于端口緩沖容量。數據只有在端口緩沖容量充足的情況下才能發送。

    隨著網路的復雜度增加，交換機的延遲也隨之增加。當光纖通道速率很快時，FC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現有的系統設計，創建一個確定的命令/響應協議，這樣就可以充分利用光纖通道和MIL-STD-1553兩種協議的優點。

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已經將該標準用ASIC電路實現并有現貨供應，該協議硬件電路已經廣泛應用于各家系統制造廠商。TTP/C已經廣泛地應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，空客A380的壓力控制艙、軍機的數字發動機控制器以及瑞士等國鐵路信號和交換系統，也被用在一些基于總線驅動的概念車中。TTP/C具備高等級可靠性和可用性，并且其產品價格合理。

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

2.4 IEEE 1394b

    IEEE 1394b是一種已經廣泛應用在航天的通信協議。根據證實Jet Propulsion Laboratory’s已經利用IEEE1394-1995完成深太空系統科技項目X2000容錯航空系統的設計。IEEE 1394b廣泛應用在航天項目源于其基于銅線的高傳輸速率，并且其IP已經通過ASIC實現。IEEE 1394b支持的傳輸速率范圍從100 MB/s～3.2 GB/s。其傳輸的媒介可以是屏蔽、非屏蔽雙絞線以及玻璃光纖，傳輸介質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。對等時傳輸的支持，可以保證在規定的時間內完成規定數據量的傳輸。非常有利于圖像、聲音等對時間延遲比較敏感的數據傳輸。異步請求/響應方式可重復性可用于對傳輸正確性要求較高的傳輸，如指令數據、控制數據等。

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

2.5 SpaceWire

    SpaceWire是歐空局提出應用于其衛星和航天器的協議。該協議主要基于現有的兩個標準：IEEE 1355和LVDS。該協議已經應用于NASA的Swift航天器以及許多ESA的航天器，如：Rosetta，并將應用于詹姆斯韋伯天文望遠鏡。歐盟航天標準協會已經發布該協議的規格書。

    該協議的物理層傳輸采用屏蔽雙絞線，并且是點對點的。一個大型網絡結構可以通過集線器或是交換機完成消息從一個節點到另一個節點的路由。因此，消息包含集線器或交換機需要使用的接收節點的地址和路由信息。該協議沒有指定集線器和交換機的仲裁機制。該協議建立了一個端口緩存容量的鏈接流量管控概念，發送端發送的數據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。該規格書定義最大數據傳輸速率為400 MB/s，數據的發送是基于事件觸發。

2.6 MIL-STD-1553

    MIL-STD-1553是“飛機內部時分制指令/響應式多路傳輸數據總線”的代稱，其修訂版本于1978年發布，并于1996年發布最終版本。MIL-STD-1553是最早一代在系統與子系統之間數據傳輸的總線標準，其最早應用在美軍F-16和AH-64A阿帕奇直升機。目前MIL-STD-1553B已經廣泛應用于各類衛星、航天器及國際空間站。

    MIL-STD-1553定義了一個雙冗余的總線。總線通信介質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/發器等。該協議中的內部節點采取時分多路存取（TDMA）技術，總線上包括一個用來管理總線傳輸的總線控制器(BC)和多個終端節點(RT)。終端節點(RT)發送數據不需同步時鐘，并只有在BC許可下，其才能完成數據傳輸。BC的命令是異步的或是按照其時鐘周期發送的。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，數據不會在兩條總線上同時傳輸。正常操作下，RT節點的第一條總線負責數據傳輸，此時第二條總線處于熱備份狀態。只有當RT的第一條總線失效后，第二條總線才進入工作狀態。這時BC可以在第二條總線上給RT節點發送一個“發送器關閉命令”來禁止RT節點在第一條總線上發送錯誤數據。這樣，RT的第二條總線就可以繼續正常的通信了。

    目前，基于其高可靠性，MIL-STD-1553在軍用領域得到了廣泛的應用。但當系統需要實時速度傳輸大數據時，MIL-STD-1553協議就顯得容量不足。同時MIL-STD-1553協議組件的成本也相對于商業通信組件（如以太網）較高。因此，該協議不能勝任軍用系統對下一代總線的要求。

2.7 SAFEbus

    SAFEbus是霍尼韋爾公司負責設計的ARINC659協議注冊商標。它是飛機機艙內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，其結構提高了系統可靠性。

    SAFEbu協議專為商用客機的關鍵安全系統設計，其具有相當高安全可靠性和多重冗余。該協議中大多數功能是在BIU中完成的，BIU中的時間同步和數據發送控制都基于消息時序。每一個節點都有一對可以分別驅動兩條總線的BIU，每個節點都可以讀取四條總線上的數據。BIU可以作為總線管理來監聽其他的BIU發送的數據以及時序。這樣就可以阻止失效BIU在總線上發送錯誤消息。該協議的數據傳輸是基于時間觸發的，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送器和接收器的地址信息，所以消息數據包中不包含發送和接收器地址的頭信息，只有數據載荷。因為該協議中各節點的BIU對它們所有的總線分別進行校驗，該協議對消息中的數據不進行CRC校驗和奇偶校驗。這些特性促使該協議十分有效而且不需要主從傳輸的協議。

    SAFEbus協議的關鍵安全功能是十分值得信賴的，但是其成本相當昂貴。它的硬件采用多重冗余結構，并且是霍尼韋爾公司的專利，市場沒有符合該標準的現貨元件。除了霍尼韋爾發明ARINC659標準，沒有第二家設計兼容ARINC659標準組件的獨立公司。

3 軍用網絡總線對比列表

    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總線正是為了適應這種新的需求而被設計開發出來。表1是新一代AFDX總線、FC總線和TTP/C總線的性能對比說明。

    根據表1中三種總線的性能對比：TTP/C協議可同時滿足實時和非實時應用的需要，可在飛機中實現完全統一的數據傳輸網絡，因其采用時間觸發機制，在實時性、延遲性以及消息競爭方面有很大的優勢，能夠支持多種通信介質，并能夠支持普通以太網、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據量實時通信的要求。TTP/C的各項特點都滿足下一代航電總線高數據量、高實時性等的技術特點，尤其是它支持各種實時或非實時的數據在同一鏈路中傳輸的特點，非常適合對空間、尺寸、功耗都極其敏感的航空航天應用，統一網絡的設計也極大節省了開發、測試、維護的時間和成本，基于TTP/C總線的航電體系架構注定會成為下一代航電系統的主導。

4 結束語

    本文通過對當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機制保證了高的延遲性，能夠滿足航電系統周期性和非周期的數據傳輸的要求，并能很好地適應未來航電統一網絡架構的發展。國外TTP/C相關產品已投入應用。國內也應將大力開展對TTP/C的研究，研制開發符合我國軍用電子系統的新一代軍用實時以太網總線，并制定相關標準規范，提高我國的軍用電子系統的綜合一體化水平。

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