0 引言

    机载电子系统在近六十年的发展过程中，经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式4个阶段，信息综合程度的不断提高，对新型机载总线提出了更高的要求^[1]。1394总线是目前较先进的航空电子网络技术之一，它具有传输实时性、可靠性和确定性等特点，可满足当前航空电子系统对于机载总线的需求^[2]。

    1986年苹果公司为了取代当时并不普遍的SCSI接口，研究出一种高速数据传输接口技术，称之为FireWire（火线），即IEEE1394总线^[3]。图1为1394总线的协议发展。

    1995年由IEEE(电气与电子工程协会)正式制定1394总线标准，即IEEE Std 1394-1995，分别在2000和2002年针对总线控制性，仲裁和故障容错等性能进行了改进、发布了IEEE1394a-2000和IEEE1394b-2002协议。

    2004年，SAE为了满足机载网络对于可靠性、实时性、容错性并且保证带宽等方面的高要求，在IEEE1394b协议的基础上作了修改和裁剪，提出了SAE AS5643协议。该协议对IEEE-1394b规范进行裁剪和约束，通过数据传输、总线同步和容错等关键技术实现了机载电子系统的功能要求，使得1394总线能够在军事和飞行器中的安全关键/任务关键系统中得到应用。

    出于政治、军事、经济等原因，国内无法获取完整的1394总线技术资料，对AS5643协议标准研究不足，缺失协议实现方法的研究，没有协议处理解决方案，导致缺乏可使用的总线相关产品。因此目前1394总线技术的应用多以民用技术为主，主要使用在民用领域和地面仿真系统。

1 技术分析

    1394总线在IEEE-1394总线协议的基础上，采用静态配置、带宽分配和严格时间触发通信调度机制等策略，去除原有总线通信的一些不确定因素，通过增加心跳、健康状态字、纵向奇偶校验等方法并结合IEEE-1394b协议特有的环检测和环断开机制提高整个总线的容错能力，确保了总线通信的确定性和可靠性。

1.1 总线组成

    1394总线以节点为单位组成通信网络，一个基本的1394总线系统由总线控制计算机(Control Computer，简称CC)节点、远程节点(Remote Node，简称RN)、总线监控节点(Bus Monitor，简称BM)和1394连接器、线缆组成^[4]。图2为1394总线的一种最小系统结构，能够完成基本的网络通信。

    节点CC节点作为1394总线的节点控制器，按周期发送帧起始（STOF）消息，通知总线上所有节点新的一帧开始，通过STOF消息完成同步总线。RN节点作为远程终端，根据总线通道预分配，将不同的节点ID和通道号进行绑定。RN节点在收到STOF消息后，确认新的一帧开始，并按照预分配的时间偏移和带宽，在自身节点时间偏移到来时发送数据。

    BM节点作为总线监控设备，作为叶子节点挂接在总线上，能够监控总线上其他节点发出的网络管理消息和普通数据消息。通过总线监控，能够对总线网络数据实现实时和事后数据分析，为机载电子设备的开发提供了更方便的手段。

    总线上各个节点之间通过1394线缆连接，1394总线线缆是一种物理通信媒介，是网络信号传输的载体。1394线缆通过连接器与模块进行连接，通过连接器实现不同子系统的中转接口。当节点之间距离过长时，会导致传输信号衰减过大，由此需要通过1394总线中继器来完成信号的增强。

1.2 拓扑结构

    总线的拓扑形式主要依据航空电子系统的安全性等级来确定，AS5643协议根据IEEE-1394b协议本身支持的拓扑结构并结合型号应用特点推荐了3种总线构型，分别为树状拓扑、环形拓扑和三余度环形拓扑^[5]。

    图3展示了一种三余度拓扑结构，每条余度内包含两条环形拓扑和一条树形拓扑。

    在环形拓扑内，IEEE-1394b协议提供的环检测和环断开功能能够自动检测总线拓扑是否存在环路，若检测到环路，则自动禁止某两个端口间的连接，断开环路形成树状拓扑。如果任意一个节点失效，那么总线将故障节点自动重构为新树结构的末端，使其不影响其他节点间的通信，为系统提供第一级容错能力。

    各个余度之间通过CCDL（交叉数据链路）进行消息表决，为机载重要安全系统提供了多层冗余容错，提供了更高的安全性和可靠性。

1.3 通信机制

    1394总线通信基于固定帧速率和预分配带宽实现节点消息的周期定时发送机制，采用STOF包进行总线同步，使用异步流包进行数据交互，同时通过对异步流包格式的进一步定义增加总线管理和故障监控功能。

    消息通信机制如图4所示，1394总线通信原理如下：

    (1)总线初始化过程中，CC节点配置帧起始包(STOF)及发送周期，RN节点预先配置本节点使用的通道号和偏移时间；

    (2)总线节点初始化完成后，CC节点按照周期广播发送STOF包到总线上，总线上其他 RN节点在收到STOF包后，表明新的一帧开始；

    (3)总线上各个节点获取用户写入的数据，并通过添加ASM头、健康状态字、心跳和VPC校验等内容组成异步流包来保证数据的正确性和完整性^[6]。

    (4)当时间偏移到来时，各节点将完整的异步流包按照预先的配置发往不同的通道；节点接收总线数据时，获取符合本节点通道号的异步流包，并完成数据校验，将校验正确的异步流包提交上层应用并完成数据解析。

2 总线优点

    1394总线是在IEEE-1394b的基础上建立的面向航空领域的总线标准，是对IEEE-1394b协议进行确定性、实时性和可靠性的约束，以保证IEEE-1394b总线能够满足航空、航天等高安全等级领域的应用需求。

    1394总线中由CC节点按照固定的帧周期广播发送STOF包，通知所有节点新的一帧的开始，由此完成总线同步。所有RN节点在收到STOF包后按照预先分配的偏移时间，在时间窗口到来时发送数据，从而能够提高总线的实时性。

    在1394总线中，每个节点的通道号都是由应用根据体系结构预先分配，在总线上各个节点本身具有唯一的标识且将节点号与通道号进行绑定。节点之间通信采用异步流消息，采用通道号寻址保证了总线通信过程中数据传输的确定性^[7]。

    总线采用的异步流包中，包含的纵向奇偶校验提供了消息传输过程中数据完整性的额外保障，健康状态字包含了节点的状态信息，心跳字在新数据到来时依次递增，确保数据更新。通过以上多重数据检查，确保了数据传输的可靠性^[8]。

3 总线发展

    在当今电磁环境日益恶略、电子对抗更加激烈的情况下，提高机载电子系统的抗电磁干扰能力势在必行。而解决这一问题的最根本办法就是发展光传系统，即应用光纤技术实现机载总线的信号传输。

    采用光纤作为1394总线信号传输介质，将电信号转换为光信号进行数据的传输，能够将总线数据传输速率提高到S3200。同时能够有效防御电磁效应、电磁干扰，很大程度提高系统的安全性和可靠性。光纤自身的重量和体积远远小于电缆，极大地减小了传输线的重量和体积，节省了机内空间^[9]。因此采用光纤作为1394总线的传输介质，已经成为1394总线未来的发展方向。

4 结论

    1394总线作为应用于安全关键和任务关键领域的新型机载高速总线，主要向航电系统提供高安全、高可靠、强实时的数据通信服务^[10]。本文在1394总线发展的背景基础上，通过分析总线网络拓扑、总线通信及总线特性，介绍了1394总线的技术特点及发展应用。对后续1394总线网络协议的研究，总线节点模块设计、应用解决方案及1394总线网络系统的设计提供参考。

参考文献

[1] SAE AS5643/2 IEEE－1394b interface requirements for military and aerospace vehicle applications[S].SAE International，2016.

[2] SAE AS5706 test plan/procedure for AS5643/1 S400 copper media interface characteristics over extended distances[S].SAE International，2016.

[3] 1394b：IEEE standard for a high performance serial busamendment 2[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2002.

[4] 张大朴，王晓，张大力，等.IEEE1394协议及接口设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[5] 王宣明，田泽，魏艳艳，等.SAE AS5643协议分析与设计实现[J].计算机技术与发展，2015，25(7)：213-216.

[6] 胡云.对IEEE1394总线技术的研究[J].科学技术与工程，2007，7(3)：299-302.

[7] 任齐凤，楼俊荣，贺轶斐.MIL-1394b总线的确定性[J].航空电子技术，2015，46(3)：34-39.

[8] 王亚明，史洁琴.关于IEEE1394总线异步数据包配置的分析[J].计算机与现代化，2007(9)：68-71.

[9] 赵彬，田泽，杨峰，等.基于AS5643协议的接口模块设计与实现[J].计算机技术与发展，2013，23(8)：100-103，106.

[10] 赵莹，闫娟娟，郑铮.基于IEEE1394的光纤通道技术[J].航空电子技术，2008，39(4)：15-22.