航空电子I/O商用技术的演进和采用

大多数军用飞机都有两个主要的航空电子系统，今天它们彼此之间只有微弱的联系 - 飞行控制系统和任务系统。飞行控制系统包括飞行飞机所需的一切：驾驶舱仪表、空气数据、惯性系统、发动机控制、发电、液压、燃油系统、自动驾驶仪、导航、GPS、ILS、起落架、飞行表面、板条、襟翼等。主飞行控制可以增强或完全数字化电传操纵，从而进一步增加飞行控制系统的复杂性。

民用飞机也有两个系统，但它们并没有真正联系起来：飞行控制系统和乘客舒适和娱乐系统。严格的安全要求一直导致航空电子行业相信需要制定自己的I/O接口标准。这导致了为许多类型的数据传输创建ARINC标准。然而，经济现实加上新系统要求的复杂性，使得未来越来越有必要利用商业技术来代替ARINC或其他标准。

从架构上讲，大多数当前系统都是联合的，这意味着有许多小子系统连接到中央计算综合体，在军事示例中，中央计算综合体要么是任务计算机，要么是飞行控制计算机。ARINC 429、ARINC 629 和 MIL-STD-1553B 是当今联合架构的行业标准，有数以万计的实现在积极使用。这些航空电子接口用于检测各种子系统的所有参数，并以电子方式收集这些数据以呈现给机组人员，以便驾驶飞机。ARINC 429、ARINC 629 和 MIL-STD-1553B 提供了确定性、本质安全、多重冗余的数据分发方法，可以对这些数据分发进行建模和验证以进行型式认证

未来的商业和军事系统将更加集成，以便更有效地共享和处理数据，同时减轻重量和总体成本。然而，尽管军用和民用航空电子设备在下一代系统的商业技术上趋同，但每个国家都选择了不同的技术路径，并且每个国家都发现如果不进行一些行业特定的调整，就不可能使用他们喜欢的技术。AFDX（ARINC 664）计划被许多未来的大型商用飞机采用，如空中客车A380，而军用战斗机正在采用光纤通道。市场将决定是否有可能在机身的预计寿命内维持这些技术。

通过依次查看每个标准，可以了解系统如何发展以及如何利用商业衍生的数据处理架构和技术。变化必须在安全、确定性和稳健性的可证明约束范围内发生，这是航空电子应用的固有特征。

ARINC 429/575 ARINC 429是寿命最长的标准之一，在整个民用飞机市场使用，包括直升机，通用航空和商用客机。

ARINC 429 使用双绞线上的串行数据传输进行单点对点连接。数据以 12.5 KHz 或 100 KHz 自时钟，每个方向使用一对双绞线。一个发射器可以驱动多达 20 个接收器。ARINC 429用于互连联合架构中的离散子系统，以便作为一个简单的示例，惯性参考系统（发射器），空气数据计算机（发射器）和无线电高度计（发射器）将定期将其数据馈送到自动驾驶系统（三个接收器）。在实际配置中，每个发射器都将向许多接收子系统馈送数据，并且为了安全性和冗余，路径将一式三份复制或配置。

ARINC 429 发送器有两种基本状态：发送零时钟或 32 位数据字。数据字由空时钟分隔。数据字的 32 位被划分为字段，通常，第 11 位到 29 位是数据内容。数据内容描述了传输的数据类型、格式和参数。该数据内容及其传输频率主要由ARINC标准定义。它由标签（标识正在传输的参数）、传输源、范围（或比例）以及用于描述参数和分辨率的数据位数组成。此外，数据字可用于子系统故障报告和诊断，以及由许多航空电子子系统制造商定义的自定义功能。对于嵌入式系统的开发和部署，SBS Technologies A429-PMC（如图 1 所示）是一个易于集成的夹层 I/O 模块示例，可提供 ARINC 429 的 8 个接收通道和 8 个发送通道。

图 1：提供 ARINC 429 的 8 个接收通道和 8 个发送通道的易于集成的夹层 I/O 模块示例

ARINC 575早于ARINC 429，在电气和功能上相似，允许相同的硬件支持其中任何一个，但575仅限于12.5 KHz时钟，并且没有在数据字中提供奇偶校验位。随着更智能的子系统的发展，ARINC 429 必须支持子系统之间的文件传输。威廉斯堡协议旨在提供协商文件传输机制，支持长度从 3 到 255 个单词的文件大小。尽管基于 ARINC 429 的实施是可靠且本质安全的，但它们需要在飞机周围进行大量离散的点对点布线，这既昂贵又笨重。

已经开发了较新的替代技术，例如ARINC 629和AFDX，通过将所有离散的点对点电缆替换为四线网络上相同数量的虚拟通道，从而显着降低了这种开销。同时，这些较新的标准模仿了类似ARINC 429的联合架构的架构简单性。当完成的飞机提交给FAA或其他民用或军事当局进行最终型号认证时，这种虚拟的简单性至关重要。

ARINC 629 ARINC 629由波音公司为777开发，几乎没有其他应用。它是一种时分多路复用串行总线，采用曼彻斯特双相编码，时钟频率为2 Mbps。 多个接收器和发射器使用电流或电压耦合连接到同一总线。与以太网一样，ARINC 629 使用载波检测、避免冲突机制来避免多个发射器想要同时使用总线时的争用。

发生争用时，每个终端都有三个计时器，用于在可变时间段内退出下一次尝试。数据以由多个 20 位字组成的消息传输。每个接收器侦听ARINC 629总线并读取第一个单词，以确定消息是否包含所需的数据，从而允许简单的多播机制。不需要的数据将被丢弃。连接到总线的每个终端都有一个独特的、固定的个性，它定义了它的功能、它将传输什么数据、传输频率以及它将接收什么消息。

AFDX （ARINC 664）

Avionics Full-DupleX交换以太网由空中客车公司为A380开发，试图利用COTS技术进行高完整性航空电子设备应用。它基于 100 Mbps 交换以太网，并进行了一些修改，以帮助对抗抖动和缺乏确定性，这是未经修改的以太网实现所固有的。在架构上，AFDX使用复制的全双工交换网络来覆盖飞机周围。使用全双工是为了避免半双工以太网实现中发现的冲突和重新传输，从而确保在数据准备好传输时连接始终可用。通过这种方式，在整个网络中的高流量条件下可以减少抖动。但是，由于交换机使用存储转发技术，由于接收器从发射器异步工作，因此仍然存在少量但可量化的抖动。

许多飞机子系统仍然非常基本，只需要很少的处理器能力，并以非常低的速率生成数据。将每个子系统直接连接到AFDX是不经济的，这样它们就被物理分组并通过所谓的“终端系统”连接到AFDX。终端系统可以被认为是类似于具有网络接口的远程数据集中器。它至少有两个到中央 AFDX 交换机的全双工（单独的发送和接收对）连接。终端系统可以通过交换机与任何其他终端系统通信。子系统使用虚拟链路通过 AFDX 网络相互通信。这些虚拟链路的配置是固定的，类似于ARINC 429实现，其数据源（例如惯性参考系统，空气数据计算机，无线电高度计或来自早期ARINC 429示例的GPS）馈送到一个或多个接收器。

由于 AFDX 仅使用这些虚拟链路，因此以太网数据包的因特网地址字段未使用，由虚拟链路字段替换。虚拟链接定义数据源及其目标。为了进一步改善最终系统的抖动和确定性，每个虚拟链路都可以根据其传输频率和数据包的最大有效负载大小设置定义的带宽。通过固定这些参数，可以在设计过程中准确地对网络的数据流和行为进行建模，并且可以在验证系统进行型式认证时进行验证。

MIL-STD-1553B MIL-STD-1553B最初由军方开发，用于战术飞机作为仪表总线，已被数百个项目采用，包括具有不同用途的地面车辆和海军舰艇。

许多装置与其原始设计意图大不相同。MIL-STD-1553B是一种时分多路复用总线，使用曼彻斯特编码，时钟频率为1 MHz。 实现使用双冗余总线来实现完整性并防止战斗损坏。

每条1553B总线都有一个总线控制器和多达32个远程终端，这些终端可以进一步分为32个子地址。远程终端或子地址可以是具有一组特定功能的子系统，例如无线电高度计、GPS 接收器或导弹警告接收器。总线操作由总线控制器严格控制 – 由于终端的所有接收或发送操作都是由总线控制器发送的消息启动的，因此不会争用总线。这是一个非常健壮的确定性系统，非常适合定期轮询许多独立的智能子系统。1553有许多设备级实现，它们集成了在非常小的物理空间中实现总线控制器或远程终端所需的所有功能。图 2 显示了 SBS Technologies 提供的 3U CompactPCI MIL-STD-1553B 接口，称为 1553-CPC3，该接口使用最先进的 FPGA 技术在单个 3U 大小的卡插槽中实现三个完整的双冗余 MIL-STD-1553B 通道。

图2

MIL-STD-1553B与ARINC 429一样，是联邦航空电子系统发展的结果。然而，随着其应用基础迅速扩展，该标准的固有稳健性使其成为任务系统的主要竞争者。因此，这鼓励了飞行控制与军事应用中的任务系统的集成。总线的相对较低的带宽阻止了原始数据的共享，从而在1553年左右建造的任务系统上强加了架构风格。这表现为许多半自主的智能子系统将高度处理的数据（如雷达目标轨迹或导弹警报）传播到中央计算机。

反过来，这台中央计算机协助飞行员或机组人员做出战术决策。随着传感器变得越来越有效，系统已经开发出同时攻击多个目标的能力，1553在这个角色中的局限性正在暴露出来。在子系统之间共享大量原始数据的情况下，有必要通过雷达、红外和电视等传感器的专用高速链路来补充 1553。然而，已经开发了更快的1553版本，包括光学版本，这可能会改善遗留系统升级的情况 - 但不会达到新系统所需的GHz+速率。

光纤通道 与AFDX一样，光纤通道代表了将商业技术用于军事用途的又一次成功尝试。它是作为商业网络存储技术开发的，可在存储设备、大型机和工作站之间提供非常快的数据速率。它可以同时支持多种协议，如SCSI和IP，在将许多不同类型的设备连接在一起时提供极大的灵活性。它被用作FA-18E / F超级大黄蜂和F-35联合攻击战斗机等先进平台中MIL-STD-1553B的替代品。光纤通道的工作频率为 2 GHz（光纤）或 1 GHz（铜缆），支持三种主要拓扑结构：点对点链路、仲裁环路或与交换机结合使用，作为交换结构。到光纤通道的端口是双向的，在接收和传输时同时支持全数据速率。

光纤通道最适合实施复杂、高性能的任务计算系统，将来自许多传感器的数据融合到战术图片中，并控制许多不同类型的武器系统，因为它的架构具有灵活性和性能潜力。光纤通道可以在没有交换机的情况下用作局域网 （LAN），使用仲裁环路拓扑在同一或相邻机箱中的多个处理器之间。但是，为了连接到传感器和武器系统，交换结构提供更高的带宽和对结构的确定性访问。可以将飞行控制系统集成到光纤通道交换结构中。这将以与 AFDX 相同的方式完成，其中经济数量的 I/O 子系统将连接到结构上的接入点。

关于航空电子应用的时间触发协议与事件触发协议的争论仍在继续。时间触发意味着数据定期采样并传输到主机。ARINC 429是时间触发系统的一个很好的例子。事件触发意味着仅在发生更改时才发送数据。许多多任务实时操作系统以这种方式工作，在中断触发时切换任务。

CANbus在汽车行业得到了广泛的应用，具有良好的带宽，可以配置为在三重和四重冗余系统中运行，随时可用且价格便宜，似乎是航空电子设备采用的明显候选者。然而，它本质上是事件触发的，尚未被选为广泛的航空电子设备使用。一项新的发展是TTTech的TTP（时间触发协议），它计划在航空电子设备和汽车应用中被广泛采用，作为CANbus的替代品。TTP还可以与AFDX结合使用，作为许多小型子系统和AFDX终端系统之间的连接。

AFDX和光纤通道代表了当今各自市场中最先进的技术，并且其奉献者投入了大量资源。如果目前的势头继续下去，未来可能只有一种商业技术，而无需对军用和商用航空电子设备进行航空电子设备的特定修改。

审核编辑：郭婷