航空电子系统几种主要数据总线应用特性分析

　　70年代以来，随着微电子、计算机、控制论的发展，使得航空电子系统的发展更为迅速。1980年美国专门制定了军用1553系列标准和ARINC系列标准，使数据总线更加规范化。目前自动化程度较高的军、民用飞机，如 F-16、F-117、幻影2000、空中客机A340等都采用了总线技术。数据总线技术在我国航空电子系统设计中已有十几年的设计和使用经验，本文就常用的MIL-STD-1553B、ARINC429、CSDB、ARINC6路总线（561、568、582）和ARINC629总线从构成、特性以及应用等几方面进行讨论和阐述。

　　1　总线的构成

　　一旦设计者确定了基本的飞电系统结构后，最重要的是总线布局，它对系统性能具有重要影响。总线可以是单向的，也可以是双向的。最常用的单向总线设计的依据是“ARINC429规范MARK33数字式信息传输系统”。双向总线布局基本上有三种形式：线性的、网状的、星形的。通常根据“MIL-STD-1553B飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线”规定：总线要有一个中央总线控制器。线性的双向总线布局设计最常用。设计时，要注意采用特别的预防措施，否则容易产生单点失效（可运用故障树分析技术检查）；网状布局可用于通用的先进容错系统，优点是：利用节点控制器来断开失效或破坏的网段，可成功地实现容错，其他无损坏的网段上，按规定路线发送信号，系统的全部功能可重构；星状结构的布局除具有上述优点外，还可明显地减少耦合损耗，但灵活性较差。

　　2　几种总线的特性分析

　　2.1　1553B总线特性分析

　　1553B总线为总线控制器和所有有关的远程终端之间提供了一条单一数据通路，包含双绞屏蔽电缆、隔离电阻、变压器等所有硬件。远程终端（RT）是 1553B总线系统中数量最多的部件，事实上，在一个给定的总线上最多可达31个远程终端。远程终端仅对它们特定寻址询问的那些有效指令或有效广播（所有 RT同时被寻访）指令才作出响应。它可以与它所服务的分系统分开，也可嵌入分系统内。1553B总线的第二个特性是位优先权。它首先发送数据字中的最高位，接着按数值递减的次序发送较低有效位。第三是传输方法，数据总线传输的信号是以串行数字脉冲码的调制形式，而且规定允许有10种消息格式，即“信息传输格式”。前6种格式都在总线控制器的直接控制下才能被执行，且这6种格式都要求正被访问的远程终端作出特定、唯一的响应。后4种是广播格式，这些格式在接收消息的终端不需确认其接收的情况下，允许某一终端把消息发送至总线上所有有地址的终端。虽然这种工作方式似乎极具吸引力，但1553B标准却强烈奉劝人们别使用它的这种能力，这是因为终端对其所接收的消息，无法检测其错误和失效情况。

　　2.2　ARINC及CSDB数据总线特性分析

　　ARINC429数据总线是一条单向传输总线，但可以有20个接收器。其通信的三个状态的多路信息流，采用带有奇偶校验的32位消息字。信号波形为双向归零码，其位宽取决于总线的工作速率。低速时位宽为（70～80）±2.5%μs，高速时位宽为10±2.5%μs。低速总线用于一般用途的、非关键性的应用场合；高速总线则用于传输的数据量比较大或那些至关重要的飞行信息。数据的前8位用于地址，后24位用于数据。例如，美国的一种电子飞行仪表系统，它的数据大约按每秒19，9.5和2.4倍速度更新。对于每一个字的同步，可通过检测每个字第1位的跃变来实现。在连续传输的字与字之间至少有4个位时的时间间隔。

　　工业标准数据总线（CSDB）是一个二进制的二种状态的波形。总线由双绞屏蔽线组成，该线的阻抗符合美国电子工业协会（EIA）RS-422A标准要求。

　　ARINC6路总线（561，568，582）是一个二进制、32位具有两种波形的总线。它的波形格式如图3所示。总线由三股双绞屏蔽线组成。三条线路分别用于串行数据、字同步和时钟信号传送，串行数据被编成二进制编码数据（BCD）和二进制数据，前8位用作地址，后24位用作数据。时钟信号为一个11±3.5kHz矩形波信号，上升和衰减时间在2～6μs范围之内。

　　注：①为示波器所看见的波形;　②为按有效位的次序显示的波形;

　　③31，32位为00时，非测试有效；10时，测试有效；01时，无效；11时，未规定。

　　ARINC629数据总线像ARINC429一样是无主机的广播式数据总线，按照载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）的规约来进行工作。

　　尽管ARINC629总线打算作为ARINC429的后继者，但它与MIL-STD-1553B之间仍有几个相似之处。每个字的字长为20个位时，其中数据占16位并有一个奇偶校验位。标号字有3个位时的高-低同步波形，而数据字的同步波形是由低变高，也占3个位时。一个消息由1～16个字串组成。每个字串有一个标号字，再跟最多可达256个数据字。ARINC629总线能在1553B所用的任一种配置方式上工作，其总线速率为2MB/s。值得一提的特点是容易采用电感性耦合器与总线相连接，连接时不必割断导线，这是它对提高可靠性和降低电磁干扰的卓有成效的贡献。

　　ARINC629数据总线是一种自主式终端访问工作方式的数据总线，所以总线上每一终端必须有自己的控制机构。这种控制机构通过2块可擦除的EPROM作为发送和接收“个性化插件”来实现。

　　2.3　总线硬件特性的比较

　　1553B总线的传输线是双股绞合、屏蔽且带护套的电缆，要求每英尺（1ft=0.3048m）绞合4扭，屏蔽最少应覆盖电缆表面的75%。频率为 1MHz时，电缆的特性阻抗应在70～85Ω内。电缆的每一末端必须接一个等于电缆特性阻抗值±2%阻值的电阻器。线与线之间的电容应小于或等于 30pF/ft，且电缆的损耗在频率为1MHz时应小于（或等于）0.015dB/ft，电缆长度不受限制。

　　1553B标准规定了两种耦合方法：第一种采用线与线直接连接，通常称为直接耦合短截线。第二种耦合方法为变压器耦合短截线。

　　它们用硬导线进行线与线间的连接，经隔离电阻器连到耦合变压器上。尽管变压器耦合短截线的长度可任意选定，但设计者应努力设法尽可能使其长度不超过6.1m。共模抑制比应大于（或等于）45dB。

　　1553B总线关于终端的详细性能要点如下：

　　①变压器耦合的终端输出电压（线与线之间）的峰-峰值应在18～27V范围内，其噪音（线与线之间）有效值小于14mV；

　　②变压器耦合的终端应对峰-峰值在0.86～14.0V（线与线之间）范围内的输入信号作响应，在75kHz～1MHz范围内，终端的最小输入阻抗应为1kΩ。

　　ARINC429对硬件的要求相对来说并不苛刻，且容易实现。发送器的输出阻抗应在75～85Ω的范围内，在两导线之间均分。

　　对接收器，其输入电阻应大于 12kΩ，差动输入电容和对地电容都应＜50pF。所以规定接收器的最小输入电阻为12kΩ，是为了保证在总线上有多达20个接收器时不至于使总线超载，且在故障情况时能减少接收器之间的相互干扰。为了在一根线对地短路这种故障情况时，接收器还能继续工作，ARINC429已规定了接收器可接收的电压范围为：

　　HI（高）：+6.5～+13VDC;

　　LO（低）：-6.5～-13VDC;

　　NULL（零）：+2.5～-2.5VDC。

　　在这些电平范围之外的任何信号都认为是无效的。另外，在一根线对地短路故障时，将会产生一个变动范围高达+5.5V或-5.5V的差动电压。在实际应用中，最大旁路电容不应超过30000pF。

　　3　结束语

　　数据总线技术在很大程度上提高了飞机本身的性能，而且还扩大和提高了飞机完成任务的能力。影响数据总线设计的许多因素，不一定直接与飞机任务有关。为了达到最大的生产效率、有效性、减少寿命期费用和拥有费用， 通常在利用率和维修范围内会提出一些附加的要求，例如，冗余度、任务完成率、维修小时与飞行小时之比、MTBF和地面维修时间等。总线的选用应根据任务和性能要求，而总线设计数据的确定，应基于国内外资料、部分及系统联试试验的结果，避免以后要以高昂的代价来重新修正设计。