航空電子系統(tǒng)幾種主要數(shù)據(jù)總線應(yīng)用特性分析

　　70年代以來，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、控制論的發(fā)展，使得航空電子系統(tǒng)的發(fā)展更為迅速。1980年美國專門制定了軍用1553系列標(biāo)準(zhǔn)和ARINC系列標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)總線更加規(guī)范化。目前自動(dòng)化程度較高的軍、民用飛機(jī)，如 F-16、F-117、幻影2000、空中客機(jī)A340等都采用了總線技術(shù)。數(shù)據(jù)總線技術(shù)在我國航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已有十幾年的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，本文就常用的MIL-STD-1553B、ARINC429、CSDB、ARINC6路總線（561、568、582）和ARINC629總線從構(gòu)成、特性以及應(yīng)用等幾方面進(jìn)行討論和闡述。

　　1　總線的構(gòu)成

　　一旦設(shè)計(jì)者確定了基本的飛電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，最重要的是總線布局，它對系統(tǒng)性能具有重要影響。總線可以是單向的，也可以是雙向的。最常用的單向總線設(shè)計(jì)的依據(jù)是“ARINC429規(guī)范MARK33數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)”。雙向總線布局基本上有三種形式：線性的、網(wǎng)狀的、星形的。通常根據(jù)“MIL-STD-1553B飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線”規(guī)定：總線要有一個(gè)中央總線控制器。線性的雙向總線布局設(shè)計(jì)最常用。設(shè)計(jì)時(shí)，要注意采用特別的預(yù)防措施，否則容易產(chǎn)生單點(diǎn)失效（可運(yùn)用故障樹分析技術(shù)檢查）；網(wǎng)狀布局可用于通用的先進(jìn)容錯(cuò)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是：利用節(jié)點(diǎn)控制器來斷開失效或破壞的網(wǎng)段，可成功地實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，其他無損壞的網(wǎng)段上，按規(guī)定路線發(fā)送信號(hào)，系統(tǒng)的全部功能可重構(gòu)；星狀結(jié)構(gòu)的布局除具有上述優(yōu)點(diǎn)外，還可明顯地減少耦合損耗，但靈活性較差。

　　2　幾種總線的特性分析

　　2.1　1553B總線特性分析

　　1553B總線為總線控制器和所有有關(guān)的遠(yuǎn)程終端之間提供了一條單一數(shù)據(jù)通路，包含雙絞屏蔽電纜、隔離電阻、變壓器等所有硬件。遠(yuǎn)程終端（RT）是 1553B總線系統(tǒng)中數(shù)量最多的部件，事實(shí)上，在一個(gè)給定的總線上最多可達(dá)31個(gè)遠(yuǎn)程終端。遠(yuǎn)程終端僅對它們特定尋址詢問的那些有效指令或有效廣播（所有 RT同時(shí)被尋訪）指令才作出響應(yīng)。它可以與它所服務(wù)的分系統(tǒng)分開，也可嵌入分系統(tǒng)內(nèi)。1553B總線的第二個(gè)特性是位優(yōu)先權(quán)。它首先發(fā)送數(shù)據(jù)字中的最高位，接著按數(shù)值遞減的次序發(fā)送較低有效位。第三是傳輸方法，數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)男盘?hào)是以串行數(shù)字脈沖碼的調(diào)制形式，而且規(guī)定允許有10種消息格式，即“信息傳輸格式”。前6種格式都在總線控制器的直接控制下才能被執(zhí)行，且這6種格式都要求正被訪問的遠(yuǎn)程終端作出特定、唯一的響應(yīng)。后4種是廣播格式，這些格式在接收消息的終端不需確認(rèn)其接收的情況下，允許某一終端把消息發(fā)送至總線上所有有地址的終端。雖然這種工作方式似乎極具吸引力，但1553B標(biāo)準(zhǔn)卻強(qiáng)烈奉勸人們別使用它的這種能力，這是因?yàn)榻K端對其所接收的消息，無法檢測其錯(cuò)誤和失效情況。

　　2.2　ARINC及CSDB數(shù)據(jù)總線特性分析

　　ARINC429數(shù)據(jù)總線是一條單向傳輸總線，但可以有20個(gè)接收器。其通信的三個(gè)狀態(tài)的多路信息流，采用帶有奇偶校驗(yàn)的32位消息字。信號(hào)波形為雙向歸零碼，其位寬取決于總線的工作速率。低速時(shí)位寬為（70～80）±2.5%μs，高速時(shí)位寬為10±2.5%μs。低速總線用于一般用途的、非關(guān)鍵性的應(yīng)用場合；高速總線則用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大或那些至關(guān)重要的飛行信息。數(shù)據(jù)的前8位用于地址，后24位用于數(shù)據(jù)。例如，美國的一種電子飛行儀表系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)大約按每秒19，9.5和2.4倍速度更新。對于每一個(gè)字的同步，可通過檢測每個(gè)字第1位的躍變來實(shí)現(xiàn)。在連續(xù)傳輸?shù)淖峙c字之間至少有4個(gè)位時(shí)的時(shí)間間隔。

　　工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線（CSDB）是一個(gè)二進(jìn)制的二種狀態(tài)的波形。總線由雙絞屏蔽線組成，該線的阻抗符合美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）RS-422A標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　ARINC6路總線（561，568，582）是一個(gè)二進(jìn)制、32位具有兩種波形的總線。它的波形格式如圖3所示。總線由三股雙絞屏蔽線組成。三條線路分別用于串行數(shù)據(jù)、字同步和時(shí)鐘信號(hào)傳送，串行數(shù)據(jù)被編成二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)（BCD）和二進(jìn)制數(shù)據(jù)，前8位用作地址，后24位用作數(shù)據(jù)。時(shí)鐘信號(hào)為一個(gè)11±3.5kHz矩形波信號(hào)，上升和衰減時(shí)間在2～6μs范圍之內(nèi)。

　　注：①為示波器所看見的波形;?、跒榘从行坏拇涡蝻@示的波形;

　　③31，32位為00時(shí)，非測試有效；10時(shí)，測試有效；01時(shí)，無效；11時(shí)，未規(guī)定。

　　ARINC629數(shù)據(jù)總線像ARINC429一樣是無主機(jī)的廣播式數(shù)據(jù)總線，按照載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）的規(guī)約來進(jìn)行工作。

　　盡管ARINC629總線打算作為ARINC429的后繼者，但它與MIL-STD-1553B之間仍有幾個(gè)相似之處。每個(gè)字的字長為20個(gè)位時(shí)，其中數(shù)據(jù)占16位并有一個(gè)奇偶校驗(yàn)位。標(biāo)號(hào)字有3個(gè)位時(shí)的高-低同步波形，而數(shù)據(jù)字的同步波形是由低變高，也占3個(gè)位時(shí)。一個(gè)消息由1～16個(gè)字串組成。每個(gè)字串有一個(gè)標(biāo)號(hào)字，再跟最多可達(dá)256個(gè)數(shù)據(jù)字。ARINC629總線能在1553B所用的任一種配置方式上工作，其總線速率為2MB/s。值得一提的特點(diǎn)是容易采用電感性耦合器與總線相連接，連接時(shí)不必割斷導(dǎo)線，這是它對提高可靠性和降低電磁干擾的卓有成效的貢獻(xiàn)。

　　ARINC629數(shù)據(jù)總線是一種自主式終端訪問工作方式的數(shù)據(jù)總線，所以總線上每一終端必須有自己的控制機(jī)構(gòu)。這種控制機(jī)構(gòu)通過2塊可擦除的EPROM作為發(fā)送和接收“個(gè)性化插件”來實(shí)現(xiàn)。

　　2.3　總線硬件特性的比較

　　1553B總線的傳輸線是雙股絞合、屏蔽且?guī)ёo(hù)套的電纜，要求每英尺（1ft=0.3048m）絞合4扭，屏蔽最少應(yīng)覆蓋電纜表面的75%。頻率為 1MHz時(shí)，電纜的特性阻抗應(yīng)在70～85Ω內(nèi)。電纜的每一末端必須接一個(gè)等于電纜特性阻抗值±2%阻值的電阻器。線與線之間的電容應(yīng)小于或等于 30pF/ft，且電纜的損耗在頻率為1MHz時(shí)應(yīng)小于（或等于）0.015dB/ft，電纜長度不受限制。

　　1553B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種耦合方法：第一種采用線與線直接連接，通常稱為直接耦合短截線。第二種耦合方法為變壓器耦合短截線。

　　它們用硬導(dǎo)線進(jìn)行線與線間的連接，經(jīng)隔離電阻器連到耦合變壓器上。盡管變壓器耦合短截線的長度可任意選定，但設(shè)計(jì)者應(yīng)努力設(shè)法盡可能使其長度不超過6.1m。共模抑制比應(yīng)大于（或等于）45dB。

　　1553B總線關(guān)于終端的詳細(xì)性能要點(diǎn)如下：

　?、僮儔浩黢詈系慕K端輸出電壓（線與線之間）的峰-峰值應(yīng)在18～27V范圍內(nèi)，其噪音（線與線之間）有效值小于14mV；

　?、谧儔浩黢詈系慕K端應(yīng)對峰-峰值在0.86～14.0V（線與線之間）范圍內(nèi)的輸入信號(hào)作響應(yīng)，在75kHz～1MHz范圍內(nèi)，終端的最小輸入阻抗應(yīng)為1kΩ。

　　ARINC429對硬件的要求相對來說并不苛刻，且容易實(shí)現(xiàn)。發(fā)送器的輸出阻抗應(yīng)在75～85Ω的范圍內(nèi)，在兩導(dǎo)線之間均分。

　　對接收器，其輸入電阻應(yīng)大于 12kΩ，差動(dòng)輸入電容和對地電容都應(yīng)＜50pF。所以規(guī)定接收器的最小輸入電阻為12kΩ，是為了保證在總線上有多達(dá)20個(gè)接收器時(shí)不至于使總線超載，且在故障情況時(shí)能減少接收器之間的相互干擾。為了在一根線對地短路這種故障情況時(shí)，接收器還能繼續(xù)工作，ARINC429已規(guī)定了接收器可接收的電壓范圍為：

　　HI（高）：+6.5～+13VDC;

　　LO（低）：-6.5～-13VDC;

　　NULL（零）：+2.5～-2.5VDC。

　　在這些電平范圍之外的任何信號(hào)都認(rèn)為是無效的。另外，在一根線對地短路故障時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變動(dòng)范圍高達(dá)+5.5V或-5.5V的差動(dòng)電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，最大旁路電容不應(yīng)超過30000pF。

　　3　結(jié)束語

　　數(shù)據(jù)總線技術(shù)在很大程度上提高了飛機(jī)本身的性能，而且還擴(kuò)大和提高了飛機(jī)完成任務(wù)的能力。影響數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)的許多因素，不一定直接與飛機(jī)任務(wù)有關(guān)。為了達(dá)到最大的生產(chǎn)效率、有效性、減少壽命期費(fèi)用和擁有費(fèi)用， 通常在利用率和維修范圍內(nèi)會(huì)提出一些附加的要求，例如，冗余度、任務(wù)完成率、維修小時(shí)與飛行小時(shí)之比、MTBF和地面維修時(shí)間等?？偩€的選用應(yīng)根據(jù)任務(wù)和性能要求，而總線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的確定，應(yīng)基于國內(nèi)外資料、部分及系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)的結(jié)果，避免以后要以高昂的代價(jià)來重新修正設(shè)計(jì)。