0 引言

    近20年来,随着信息技术、微电子技术的迅猛发展,航电系统在航空航天中的地位日益提高，飞机对机载电子设备的性能要求也越来越高。为满足日益增加的对航电系统的要求,航空电子系统架构经历了从联合式电子系统向综合式电子系统(Integrated Modular Avionics，IMA)以及最新的分布式综合模块化航空电子(DistributedIntegrated Modular Avionics，DIMA)系统的发展过程。

    为了适应当前综合模块化航空电子系统的发展要求,对军用数据总线的带宽以及协议也提出了更高的要求。未来军用总线必须具有更多的功能、更好的适应性、更高的可靠性和更强的生存能力。

1 分布式综合电子系统特性

    DIMA将输入/输出（I/O）从计算模块中剥离，使其靠近作动器（Actuator）和传感器（Sensor），同时处理靠近I/O，解决了IMA系统背板散热和安全配置的问题。将“虚拟背板”概念引入，结合了集中式系统与分布式网络的特点，为分布式系统的高精度处理提供了保证。不同于传统IMA的单一关键性，DIMA支持包含时间、安全以及任务关键功能在内的混合关键性。具有混合关键性的DIMA系统具有以下属性：

    (1)严格的时间确定性

    DIMA采用全局统一时钟，数据的发送、接收及处理都在规定时间内完成。通过时间、空间及网络上的合理划分，保证了数据的处理及传输不会发生冲突及拥塞。

    (2)高容错性和可靠性

    DIMA具有故障的检测、识别、隔离、评估和约束功能。由于其特有的分布式架构，单个节点的故障不会传播到整个系统，同时通过双链路通信方式进行冗余备份。

    (3)系统可组合性

    DIMA对不同等级的任务节点进行了时间、空间和网络上的划分，并且通过硬件层面进行标准化（I/O、Actuator、 Sensor），整个航电系统的复杂度得到降低，联调测试时间也大大缩短。同时，单个子系统的更换对整个航电系统的影响也大幅减少。

    (4)与现有标准的整合性

    DIMA采用开放的技术标准体系，保证了系统的兼容性及可演进性。例如在处理器选用上兼容PowerPC和X86，操作系统采用基于开放的ARINC653标准的VxWorks、Linux，在通信网络上采用基于以太网技术的网络等。

2 国内外军用总线技术比较分析

    为了适应分布式综合航空电子系统的发展，针对当前主要的军用数据总线进行分析和对比。

2.1 Avionics Full-Duplex Switched Ethernet

    Avionics Full-Duplex Switched Ethernet（AFDX）是空客公司提出的通信协议标准，该标准已经在其研制的大型客机A380中使用。AFDX通信协议是基于商用标准（IEEE802.3以太网MAC地址，IP以及UDP），加上安全可靠通信的关键及非关键数据确定时间管理和裕度管理。

    确定性通信是通过分配端系统间的虚拟链路（VL）地址、延迟边界以及消息帧长来进行系统设计的。所有的VL必须共享100 MB/s的物理带宽，给交换机提供一个配置表从而定义网络配置。每一个端口的队列以及用来进行消息路由的交换机都会引入一个抖动延迟的概念。抖动是一个随机延迟，它的大小取决于特定时间内需要传输的数据量，发送端系统的输出抖动延迟必须小于500 μs，抖动边界不包含交换机和接收端系统的抖动。在虚链路VL上发送的消息都包含一个序列编号，这样接收端系统就可以根据接收到的消息序列编号对消息进行排序，对信息的完整性进行检查。

    AFDX在以太网的基础上采用商用货架产品技术和开放式标准，可以缩短开发周期，降低研发成本，提高航空电子系统的通信速率。但是，AFDX的通信模式无法满足实时任务的可预测性和低延迟等要求，因此，研究AFDX的实时性成为一个重要的课题。

2.2 Fibre Channel

    Fibre Channel（FC）是美国国家标准协会（ANSI）发布的一种高性能数据传输协议标准。该协议标准支持以铜缆和光纤为物理层的长距离传输，它的物理层上支持多种协议。协议标准被应用于军用飞机航空电子设备，尤其是在美国海军F-18E/F“超级大黄蜂”战斗机航空电子系统升级，它是一种全双工的通信协议，它支持多种拓扑结构，如：点对点、仲裁环、交换机。FC支持以下几类传输方式：

    (1)提供专用的确定连接，并保证消息的投递和时序；

    (2)无连接和提供信息的顺序，提供投递确认；

    (3)无连接的和未经证实。与SpaceWire相似，流量控制是基于端口缓冲容量。数据只有在端口缓冲容量充足的情况下才能发送。

    随着网路的复杂度增加，交换机的延迟也随之增加。当光纤通道速率很快时，FC的标准形式是不确定的，它可以将其他标准加入到光纤通道中，解决其延迟不确定的问题。例如：FC-AE-1553，基于MIL-STD-1553现有的系统设计，创建一个确定的命令/响应协议，这样就可以充分利用光纤通道和MIL-STD-1553两种协议的优点。

2.3 Time-Triggered Communication protocol

    Time-Triggered Communication protocol（TTP/C）第一版诞生于1993年，奥地利的公司TTTech已经将该标准用ASIC电路实现并有现货供应，该协议硬件电路已经广泛应用于各家系统制造厂商。TTP/C已经广泛地应用于各种载人交通工具中，如：美国国家航空航天局(NASA)在猎户座(Orion)飞船电子系统，空客A380的压力控制舱、军机的数字发动机控制器以及瑞士等国铁路信号和交换系统，也被用在一些基于总线驱动的概念车中。TTP/C具备高等级可靠性和可用性，并且其产品价格合理。

    TTP/C是一种可容错的基于时间触发的协议，支持在多个节点上实施冗余节点和冗余功能，通信控制芯片的操作基于其内部的容错高精度全局时钟来建立的时间基准。TTP/C协议没有总线主从概念，这样当系统中出现失效节点时，不会影响其他节点的正常通信。TTP/C通信控制硬件中包含总线监听，它与其他节点一样并共用时钟，系统中的成员互相告知其他成员的健康状态以及发送器和接收器设置的消息状态。TTP/C的设计是独立于物理层，控制芯片支持在RS-485总线上以5 MB/s、在以太网PHY层以25 MB/s以及在千兆以太网物理层以1 GB/s的传输速率传输。TTP/C的容错假设是保证通信系统中允许其架构中的元件有任意一个错误，可以根据具体应用设计来克服多个错误。

2.4 IEEE 1394b

    IEEE 1394b是一种已经广泛应用在航天的通信协议。根据证实Jet Propulsion Laboratory’s已经利用IEEE1394-1995完成深太空系统科技项目X2000容错航空系统的设计。IEEE 1394b广泛应用在航天项目源于其基于铜线的高传输速率，并且其IP已经通过ASIC实现。IEEE 1394b支持的传输速率范围从100 MB/s～3.2 GB/s。其传输的媒介可以是屏蔽、非屏蔽双绞线以及玻璃光纤，传输介质材料和长度决定着该标准的最大传输速率。

    IEEE 1394b的特性是包含等时传输和异步传输。对等时传输的支持，可以保证在规定的时间内完成规定数据量的传输。非常有利于图像、声音等对时间延迟比较敏感的数据传输。异步请求/响应方式可重复性可用于对传输正确性要求较高的传输，如指令数据、控制数据等。

    IEEE 1394使用点对点连接形成“树形”拓扑结构，不支持“环形”拓扑。该协议具备禁止端口功能，这样可以先将整个系统端口连成环形，并通过链接失效禁止失效端口，从而重建所有节点的拓扑结构。该协议初始化首先给节点分配地址，选择“根”节点，每次增加或删除器件，系统自动重新进行初始化配置。

2.5 SpaceWire

    SpaceWire是欧空局提出应用于其卫星和航天器的协议。该协议主要基于现有的两个标准：IEEE 1355和LVDS。该协议已经应用于NASA的Swift航天器以及许多ESA的航天器，如：Rosetta，并将应用于詹姆斯韦伯天文望远镜。欧盟航天标准协会已经发布该协议的规格书。

    该协议的物理层传输采用屏蔽双绞线，并且是点对点的。一个大型网络结构可以通过集线器或是交换机完成消息从一个节点到另一个节点的路由。因此，消息包含集线器或交换机需要使用的接收节点的地址和路由信息。该协议没有指定集线器和交换机的仲裁机制。该协议建立了一个端口缓存容量的链接流量管控概念，发送端发送的数据不能超过一个端口的缓存容量，流量管控标识实时追踪可用的缓存大小。该规格书定义最大数据传输速率为400 MB/s，数据的发送是基于事件触发。

2.6 MIL-STD-1553

    MIL-STD-1553是“飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线”的代称，其修订版本于1978年发布，并于1996年发布最终版本。MIL-STD-1553是最早一代在系统与子系统之间数据传输的总线标准，其最早应用在美军F-16和AH-64A阿帕奇直升机。目前MIL-STD-1553B已经广泛应用于各类卫星、航天器及国际空间站。

    MIL-STD-1553定义了一个双冗余的总线。总线通信介质包括由两根屏蔽绞合的电缆、总线端子、匹配电阻、总线耦合变压器以及收/发器等。该协议中的内部节点采取时分多路存取（TDMA）技术，总线上包括一个用来管理总线传输的总线控制器(BC)和多个终端节点(RT)。终端节点(RT)发送数据不需同步时钟，并只有在BC许可下，其才能完成数据传输。BC的命令是异步的或是按照其时钟周期发送的。如果总线上的BC失效，备份BC会立即接管总线。在总线双冗余的配置条件下，数据不会在两条总线上同时传输。正常操作下，RT节点的第一条总线负责数据传输，此时第二条总线处于热备份状态。只有当RT的第一条总线失效后，第二条总线才进入工作状态。这时BC可以在第二条总线上给RT节点发送一个“发送器关闭命令”来禁止RT节点在第一条总线上发送错误数据。这样，RT的第二条总线就可以继续正常的通信了。

    目前，基于其高可靠性，MIL-STD-1553在军用领域得到了广泛的应用。但当系统需要实时速度传输大数据时，MIL-STD-1553协议就显得容量不足。同时MIL-STD-1553协议组件的成本也相对于商业通信组件（如以太网）较高。因此，该协议不能胜任军用系统对下一代总线的要求。

2.7 SAFEbus

    SAFEbus是霍尼韦尔公司负责设计的ARINC659协议注册商标。它是飞机机舱内一个计算集群的背板总线。目前，它是波音777客机主体框架的一部分，飞机舱间的通信是通过其他总线协议完成的。SAFEbus是一个线型多点串行通信总线，使用4条串行总线同时半双工传输和交叉校验的通信方式，其结构提高了系统可靠性。

    SAFEbu协议专为商用客机的关键安全系统设计，其具有相当高安全可靠性和多重冗余。该协议中大多数功能是在BIU中完成的，BIU中的时间同步和数据发送控制都基于消息时序。每一个节点都有一对可以分别驱动两条总线的BIU，每个节点都可以读取四条总线上的数据。BIU可以作为总线管理来监听其他的BIU发送的数据以及时序。这样就可以阻止失效BIU在总线上发送错误消息。该协议的数据传输是基于时间触发的，并按照消息的时序表完成。利用一个全局时钟将所有消息同步起来。所有节点的时钟是通过高精度专用时钟完成的同步。因为消息时序表中包含发送器和接收器的地址信息，所以消息数据包中不包含发送和接收器地址的头信息，只有数据载荷。因为该协议中各节点的BIU对它们所有的总线分别进行校验，该协议对消息中的数据不进行CRC校验和奇偶校验。这些特性促使该协议十分有效而且不需要主从传输的协议。

    SAFEbus协议的关键安全功能是十分值得信赖的，但是其成本相当昂贵。它的硬件采用多重冗余结构，并且是霍尼韦尔公司的专利，市场没有符合该标准的现货元件。除了霍尼韦尔发明ARINC659标准，没有第二家设计兼容ARINC659标准组件的独立公司。

3 军用网络总线对比列表

    通过对以上各种主流的军用总线进行分析，为了满足分布式IMA对新一代的航电总线高带宽、高实时性、高兼容性、高可靠性等要求，目前AFDX总线、FC总线和TTP/C总线正是为了适应这种新的需求而被设计开发出来。表1是新一代AFDX总线、FC总线和TTP/C总线的性能对比说明。

    根据表1中三种总线的性能对比：TTP/C协议可同时满足实时和非实时应用的需要，可在飞机中实现完全统一的数据传输网络，因其采用时间触发机制，在实时性、延迟性以及消息竞争方面有很大的优势，能够支持多种通信介质，并能够支持普通以太网、AFDX等多种报文通信，易于升级，有很大的普遍适用性，其高达1 Gb/s甚至10 Gb/s的传输速率能够满足大数据量实时通信的要求。TTP/C的各项特点都满足下一代航电总线高数据量、高实时性等的技术特点，尤其是它支持各种实时或非实时的数据在同一链路中传输的特点，非常适合对空间、尺寸、功耗都极其敏感的航空航天应用，统一网络的设计也极大节省了开发、测试、维护的时间和成本，基于TTP/C总线的航电体系架构注定会成为下一代航电系统的主导。

4 结束语

    本文通过对当前主流的几种新型航空总线比较分析，认为TTP/C以其特有的时间触发机制保证了高的延迟性，能够满足航电系统周期性和非周期的数据传输的要求，并能很好地适应未来航电统一网络架构的发展。国外TTP/C相关产品已投入应用。国内也应将大力开展对TTP/C的研究，研制开发符合我国军用电子系统的新一代军用实时以太网总线，并制定相关标准规范，提高我国的军用电子系统的综合一体化水平。

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