大多數(shù)軍用飛機(jī)都有兩個(gè)主要的航空電子系統(tǒng)，今天它們彼此之間只有微弱的聯(lián)系 - 飛行控制系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)包括飛行飛機(jī)所需的一切：駕駛艙儀表、空氣數(shù)據(jù)、慣性系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、發(fā)電、液壓、燃油系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛儀、導(dǎo)航、GPS、ILS、起落架、飛行表面、板條、襟翼等。主飛行控制可以增強(qiáng)或完全數(shù)字化電傳操縱，從而進(jìn)一步增加飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

民用飛機(jī)也有兩個(gè)系統(tǒng)，但它們并沒有真正聯(lián)系起來：飛行控制系統(tǒng)和乘客舒適和娛樂系統(tǒng)。嚴(yán)格的安全要求一直導(dǎo)致航空電子行業(yè)相信需要制定自己的I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致了為許多類型的數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)建ARINC標(biāo)準(zhǔn)。然而，經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)加上新系統(tǒng)要求的復(fù)雜性，使得未來越來越有必要利用商業(yè)技術(shù)來代替ARINC或其他標(biāo)準(zhǔn)。

從架構(gòu)上講，大多數(shù)當(dāng)前系統(tǒng)都是聯(lián)合的，這意味著有許多小子系統(tǒng)連接到中央計(jì)算綜合體，在軍事示例中，中央計(jì)算綜合體要么是任務(wù)計(jì)算機(jī)，要么是飛行控制計(jì)算機(jī)。ARINC 429、ARINC 629 和 MIL-STD-1553B 是當(dāng)今聯(lián)合架構(gòu)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有數(shù)以萬計(jì)的實(shí)現(xiàn)在積極使用。這些航空電子接口用于檢測各種子系統(tǒng)的所有參數(shù)，并以電子方式收集這些數(shù)據(jù)以呈現(xiàn)給機(jī)組人員，以便駕駛飛機(jī)。ARINC 429、ARINC 629 和 MIL-STD-1553B 提供了確定性、本質(zhì)安全、多重冗余的數(shù)據(jù)分發(fā)方法，可以對這些數(shù)據(jù)分發(fā)進(jìn)行建模和驗(yàn)證以進(jìn)行型式認(rèn)證

未來的商業(yè)和軍事系統(tǒng)將更加集成，以便更有效地共享和處理數(shù)據(jù)，同時(shí)減輕重量和總體成本。然而，盡管軍用和民用航空電子設(shè)備在下一代系統(tǒng)的商業(yè)技術(shù)上趨同，但每個(gè)國家都選擇了不同的技術(shù)路徑，并且每個(gè)國家都發(fā)現(xiàn)如果不進(jìn)行一些行業(yè)特定的調(diào)整，就不可能使用他們喜歡的技術(shù)。AFDX（ARINC 664）計(jì)劃被許多未來的大型商用飛機(jī)采用，如空中客車A380，而軍用戰(zhàn)斗機(jī)正在采用光纖通道。市場將決定是否有可能在機(jī)身的預(yù)計(jì)壽命內(nèi)維持這些技術(shù)。

通過依次查看每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以了解系統(tǒng)如何發(fā)展以及如何利用商業(yè)衍生的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)和技術(shù)。變化必須在安全、確定性和穩(wěn)健性的可證明約束范圍內(nèi)發(fā)生，這是航空電子應(yīng)用的固有特征。

ARINC 429/575 ARINC 429是壽命最長的標(biāo)準(zhǔn)之一，在整個(gè)民用飛機(jī)市場使用，包括直升機(jī)，通用航空和商用客機(jī)。

ARINC 429 使用雙絞線上的串行數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行單點(diǎn)對點(diǎn)連接。數(shù)據(jù)以 12.5 KHz 或 100 KHz 自時(shí)鐘，每個(gè)方向使用一對雙絞線。一個(gè)發(fā)射器可以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 20 個(gè)接收器。ARINC 429用于互連聯(lián)合架構(gòu)中的離散子系統(tǒng)，以便作為一個(gè)簡單的示例，慣性參考系統(tǒng)（發(fā)射器），空氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（發(fā)射器）和無線電高度計(jì)（發(fā)射器）將定期將其數(shù)據(jù)饋送到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（三個(gè)接收器）。在實(shí)際配置中，每個(gè)發(fā)射器都將向許多接收子系統(tǒng)饋送數(shù)據(jù)，并且為了安全性和冗余，路徑將一式三份復(fù)制或配置。

ARINC 429 發(fā)送器有兩種基本狀態(tài)：發(fā)送零時(shí)鐘或 32 位數(shù)據(jù)字。數(shù)據(jù)字由空時(shí)鐘分隔。數(shù)據(jù)字的 32 位被劃分為字段，通常，第 11 位到 29 位是數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)內(nèi)容描述了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型、格式和參數(shù)。該數(shù)據(jù)內(nèi)容及其傳輸頻率主要由ARINC標(biāo)準(zhǔn)定義。它由標(biāo)簽（標(biāo)識(shí)正在傳輸?shù)膮?shù)）、傳輸源、范圍（或比例）以及用于描述參數(shù)和分辨率的數(shù)據(jù)位數(shù)組成。此外，數(shù)據(jù)字可用于子系統(tǒng)故障報(bào)告和診斷，以及由許多航空電子子系統(tǒng)制造商定義的自定義功能。對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和部署，SBS Technologies A429-PMC（如圖 1 所示）是一個(gè)易于集成的夾層 I/O 模塊示例，可提供 ARINC 429 的 8 個(gè)接收通道和 8 個(gè)發(fā)送通道。

圖 1：提供 ARINC 429 的 8 個(gè)接收通道和 8 個(gè)發(fā)送通道的易于集成的夾層 I/O 模塊示例

ARINC 575早于ARINC 429，在電氣和功能上相似，允許相同的硬件支持其中任何一個(gè)，但575僅限于12.5 KHz時(shí)鐘，并且沒有在數(shù)據(jù)字中提供奇偶校驗(yàn)位。隨著更智能的子系統(tǒng)的發(fā)展，ARINC 429 必須支持子系統(tǒng)之間的文件傳輸。威廉斯堡協(xié)議旨在提供協(xié)商文件傳輸機(jī)制，支持長度從 3 到 255 個(gè)單詞的文件大小。盡管基于 ARINC 429 的實(shí)施是可靠且本質(zhì)安全的，但它們需要在飛機(jī)周圍進(jìn)行大量離散的點(diǎn)對點(diǎn)布線，這既昂貴又笨重。

已經(jīng)開發(fā)了較新的替代技術(shù)，例如ARINC 629和AFDX，通過將所有離散的點(diǎn)對點(diǎn)電纜替換為四線網(wǎng)絡(luò)上相同數(shù)量的虛擬通道，從而顯著降低了這種開銷。同時(shí)，這些較新的標(biāo)準(zhǔn)模仿了類似ARINC 429的聯(lián)合架構(gòu)的架構(gòu)簡單性。當(dāng)完成的飛機(jī)提交給FAA或其他民用或軍事當(dāng)局進(jìn)行最終型號(hào)認(rèn)證時(shí)，這種虛擬的簡單性至關(guān)重要。

ARINC 629 ARINC 629由波音公司為777開發(fā)，幾乎沒有其他應(yīng)用。它是一種時(shí)分多路復(fù)用串行總線，采用曼徹斯特雙相編碼，時(shí)鐘頻率為2 Mbps。 多個(gè)接收器和發(fā)射器使用電流或電壓耦合連接到同一總線。與以太網(wǎng)一樣，ARINC 629 使用載波檢測、避免沖突機(jī)制來避免多個(gè)發(fā)射器想要同時(shí)使用總線時(shí)的爭用。

發(fā)生爭用時(shí)，每個(gè)終端都有三個(gè)計(jì)時(shí)器，用于在可變時(shí)間段內(nèi)退出下一次嘗試。數(shù)據(jù)以由多個(gè) 20 位字組成的消息傳輸。每個(gè)接收器偵聽ARINC 629總線并讀取第一個(gè)單詞，以確定消息是否包含所需的數(shù)據(jù)，從而允許簡單的多播機(jī)制。不需要的數(shù)據(jù)將被丟棄。連接到總線的每個(gè)終端都有一個(gè)獨(dú)特的、固定的個(gè)性，它定義了它的功能、它將傳輸什么數(shù)據(jù)、傳輸頻率以及它將接收什么消息。

AFDX （ARINC 664）

Avionics Full-DupleX交換以太網(wǎng)由空中客車公司為A380開發(fā)，試圖利用COTS技術(shù)進(jìn)行高完整性航空電子設(shè)備應(yīng)用。它基于 100 Mbps 交換以太網(wǎng)，并進(jìn)行了一些修改，以幫助對抗抖動(dòng)和缺乏確定性，這是未經(jīng)修改的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)所固有的。在架構(gòu)上，AFDX使用復(fù)制的全雙工交換網(wǎng)絡(luò)來覆蓋飛機(jī)周圍。使用全雙工是為了避免半雙工以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的沖突和重新傳輸，從而確保在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好傳輸時(shí)連接始終可用。通過這種方式，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的高流量條件下可以減少抖動(dòng)。但是，由于交換機(jī)使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，由于接收器從發(fā)射器異步工作，因此仍然存在少量但可量化的抖動(dòng)。

許多飛機(jī)子系統(tǒng)仍然非?；荆恍枰苌俚?a target="_blank">處理器能力，并以非常低的速率生成數(shù)據(jù)。將每個(gè)子系統(tǒng)直接連接到AFDX是不經(jīng)濟(jì)的，這樣它們就被物理分組并通過所謂的“終端系統(tǒng)”連接到AFDX。終端系統(tǒng)可以被認(rèn)為是類似于具有網(wǎng)絡(luò)接口的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器。它至少有兩個(gè)到中央 AFDX 交換機(jī)的全雙工（單獨(dú)的發(fā)送和接收對）連接。終端系統(tǒng)可以通過交換機(jī)與任何其他終端系統(tǒng)通信。子系統(tǒng)使用虛擬鏈路通過 AFDX 網(wǎng)絡(luò)相互通信。這些虛擬鏈路的配置是固定的，類似于ARINC 429實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)源（例如慣性參考系統(tǒng)，空氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，無線電高度計(jì)或來自早期ARINC 429示例的GPS）饋送到一個(gè)或多個(gè)接收器。

由于 AFDX 僅使用這些虛擬鏈路，因此以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的因特網(wǎng)地址字段未使用，由虛擬鏈路字段替換。虛擬鏈接定義數(shù)據(jù)源及其目標(biāo)。為了進(jìn)一步改善最終系統(tǒng)的抖動(dòng)和確定性，每個(gè)虛擬鏈路都可以根據(jù)其傳輸頻率和數(shù)據(jù)包的最大有效負(fù)載大小設(shè)置定義的帶寬。通過固定這些參數(shù)，可以在設(shè)計(jì)過程中準(zhǔn)確地對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流和行為進(jìn)行建模，并且可以在驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行型式認(rèn)證時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

MIL-STD-1553B MIL-STD-1553B最初由軍方開發(fā)，用于戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)作為儀表總線，已被數(shù)百個(gè)項(xiàng)目采用，包括具有不同用途的地面車輛和海軍艦艇。

許多裝置與其原始設(shè)計(jì)意圖大不相同。MIL-STD-1553B是一種時(shí)分多路復(fù)用總線，使用曼徹斯特編碼，時(shí)鐘頻率為1 MHz。 實(shí)現(xiàn)使用雙冗余總線來實(shí)現(xiàn)完整性并防止戰(zhàn)斗損壞。

每條1553B總線都有一個(gè)總線控制器和多達(dá)32個(gè)遠(yuǎn)程終端，這些終端可以進(jìn)一步分為32個(gè)子地址。遠(yuǎn)程終端或子地址可以是具有一組特定功能的子系統(tǒng)，例如無線電高度計(jì)、GPS 接收器或?qū)椌娼邮掌鳌？偩€操作由總線控制器嚴(yán)格控制 – 由于終端的所有接收或發(fā)送操作都是由總線控制器發(fā)送的消息啟動(dòng)的，因此不會(huì)爭用總線。這是一個(gè)非常健壯的確定性系統(tǒng)，非常適合定期輪詢許多獨(dú)立的智能子系統(tǒng)。1553有許多設(shè)備級實(shí)現(xiàn)，它們集成了在非常小的物理空間中實(shí)現(xiàn)總線控制器或遠(yuǎn)程終端所需的所有功能。圖 2 顯示了 SBS Technologies 提供的 3U CompactPCI MIL-STD-1553B 接口，稱為 1553-CPC3，該接口使用最先進(jìn)的 FPGA 技術(shù)在單個(gè) 3U 大小的卡插槽中實(shí)現(xiàn)三個(gè)完整的雙冗余 MIL-STD-1553B 通道。

圖2

MIL-STD-1553B與ARINC 429一樣，是聯(lián)邦航空電子系統(tǒng)發(fā)展的結(jié)果。然而，隨著其應(yīng)用基礎(chǔ)迅速擴(kuò)展，該標(biāo)準(zhǔn)的固有穩(wěn)健性使其成為任務(wù)系統(tǒng)的主要競爭者。因此，這鼓勵(lì)了飛行控制與軍事應(yīng)用中的任務(wù)系統(tǒng)的集成。總線的相對較低的帶寬阻止了原始數(shù)據(jù)的共享，從而在1553年左右建造的任務(wù)系統(tǒng)上強(qiáng)加了架構(gòu)風(fēng)格。這表現(xiàn)為許多半自主的智能子系統(tǒng)將高度處理的數(shù)據(jù)（如雷達(dá)目標(biāo)軌跡或?qū)椌瘓?bào)）傳播到中央計(jì)算機(jī)。

反過來，這臺(tái)中央計(jì)算機(jī)協(xié)助飛行員或機(jī)組人員做出戰(zhàn)術(shù)決策。隨著傳感器變得越來越有效，系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出同時(shí)攻擊多個(gè)目標(biāo)的能力，1553在這個(gè)角色中的局限性正在暴露出來。在子系統(tǒng)之間共享大量原始數(shù)據(jù)的情況下，有必要通過雷達(dá)、紅外和電視等傳感器的專用高速鏈路來補(bǔ)充 1553。然而，已經(jīng)開發(fā)了更快的1553版本，包括光學(xué)版本，這可能會(huì)改善遺留系統(tǒng)升級的情況 - 但不會(huì)達(dá)到新系統(tǒng)所需的GHz+速率。

光纖通道 與AFDX一樣，光纖通道代表了將商業(yè)技術(shù)用于軍事用途的又一次成功嘗試。它是作為商業(yè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)開發(fā)的，可在存儲(chǔ)設(shè)備、大型機(jī)和工作站之間提供非?？斓臄?shù)據(jù)速率。它可以同時(shí)支持多種協(xié)議，如SCSI和IP，在將許多不同類型的設(shè)備連接在一起時(shí)提供極大的靈活性。它被用作FA-18E / F超級大黃蜂和F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)等先進(jìn)平臺(tái)中MIL-STD-1553B的替代品。光纖通道的工作頻率為 2 GHz（光纖）或 1 GHz（銅纜），支持三種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)對點(diǎn)鏈路、仲裁環(huán)路或與交換機(jī)結(jié)合使用，作為交換結(jié)構(gòu)。到光纖通道的端口是雙向的，在接收和傳輸時(shí)同時(shí)支持全數(shù)據(jù)速率。

光纖通道最適合實(shí)施復(fù)雜、高性能的任務(wù)計(jì)算系統(tǒng)，將來自許多傳感器的數(shù)據(jù)融合到戰(zhàn)術(shù)圖片中，并控制許多不同類型的武器系統(tǒng)，因?yàn)樗募軜?gòu)具有靈活性和性能潛力。光纖通道可以在沒有交換機(jī)的情況下用作局域網(wǎng) （LAN），使用仲裁環(huán)路拓?fù)湓谕换蛳噜彊C(jī)箱中的多個(gè)處理器之間。但是，為了連接到傳感器和武器系統(tǒng)，交換結(jié)構(gòu)提供更高的帶寬和對結(jié)構(gòu)的確定性訪問。可以將飛行控制系統(tǒng)集成到光纖通道交換結(jié)構(gòu)中。這將以與 AFDX 相同的方式完成，其中經(jīng)濟(jì)數(shù)量的 I/O 子系統(tǒng)將連接到結(jié)構(gòu)上的接入點(diǎn)。

關(guān)于航空電子應(yīng)用的時(shí)間觸發(fā)協(xié)議與事件觸發(fā)協(xié)議的爭論仍在繼續(xù)。時(shí)間觸發(fā)意味著數(shù)據(jù)定期采樣并傳輸?shù)街鳈C(jī)。ARINC 429是時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)很好的例子。事件觸發(fā)意味著僅在發(fā)生更改時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)。許多多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以這種方式工作，在中斷觸發(fā)時(shí)切換任務(wù)。

CANbus在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的帶寬，可以配置為在三重和四重冗余系統(tǒng)中運(yùn)行，隨時(shí)可用且價(jià)格便宜，似乎是航空電子設(shè)備采用的明顯候選者。然而，它本質(zhì)上是事件觸發(fā)的，尚未被選為廣泛的航空電子設(shè)備使用。一項(xiàng)新的發(fā)展是TTTech的TTP（時(shí)間觸發(fā)協(xié)議），它計(jì)劃在航空電子設(shè)備和汽車應(yīng)用中被廣泛采用，作為CANbus的替代品。TTP還可以與AFDX結(jié)合使用，作為許多小型子系統(tǒng)和AFDX終端系統(tǒng)之間的連接。

AFDX和光纖通道代表了當(dāng)今各自市場中最先進(jìn)的技術(shù)，并且其奉獻(xiàn)者投入了大量資源。如果目前的勢頭繼續(xù)下去，未來可能只有一種商業(yè)技術(shù)，而無需對軍用和商用航空電子設(shè)備進(jìn)行航空電子設(shè)備的特定修改。

審核編輯：郭婷