机载总线物理层建模方法研究
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作者:谭楚懿 郜宇杰 张致远 栗乾瀚 陈瑶 苗原荣
摘 要：总线系统是飞机的重要组成部分，作为飞机的“神经系统”，总线系统的重要作用是担负信号的输送和分配的任务。总线物理层特性对总线的传输性能具有重要影响，建立合适的物理层模型对分析总线性能及对飞机安全性的影响至关重要。文章对不同类别总线进行了概述，建立了总线物理层的电气参数模型。
关键词：机载总线;传输特性;参数模型;分析
对于一个复杂航空电子系统，要实现各个航电子系统之间的协调工作，随时掌握和处理瞬息万变的数据信息，最大限度的利用各航空电子设备和子系统的功能，做到资源共享，使整个航空电子综合化系统能够高效可靠的工作，就需要利用高速可靠的机载总线，可以说飞机上各航电子系统之间的数据通信和信息交换都是以航空机载总线为基础的通信网络，机载总线网络是将飞机平台内的设备、模块和部件连接起来的手段，它是实现航空电子综合的一项核心支撑技术，同时也被认为是飞机的“中枢神经”。飞机上被连接的设备、模块和部件等通常都嵌入有处理器，连接区域限定在飞机平台内部，因此，机载网络实质上是一种计算机局域网络。机载总线种类繁多，但是，从传输线缆角度看，机载总线一般包括同轴电缆、屏蔽双绞线、多股屏蔽双绞线几种。文章对这几种类型线缆传输变化与总线性能关系进行了分析。
1 总线式互连技术
总线式网络是多个计算机节点通过一条共享的广播介质（通信链路）采用时分复用的方法，实现信息交互和数据共享，其特点是任意时刻网络只能被一个节点占用，其他节点在发送自身数据之前只能等待占用网络的节点释放信道资源。总线式网络的归一化吞吐量不可能超过1，即不可能大于网络通信链路的带宽。总线式网络的介质访问控制方法可以采用集中式的控制方式，也可以采用分布式的控制方式。常见的总线式网络包括1553B，ARINC429和CAN网络等。
1.1 ARINC 429总线
分离式航空电子系统中，机载电子设备之间的互连没有统一标准，但是ARINC429[1]总线的出现改善了这种情况。ARINC429总线规范阐述了通过一对双绞屏蔽线从一个端口向其他它系统或设备以串行方式传输数字数据信息的方法。ARINC 429总线传输介质采用绞屏蔽电缆，通信采用双极性归零制的三态码调制方式。绝大多数的现役民用飞机，许多运输机上和民用飞机比如A310，A300～600，B357，B747，B757，B767，其航空电子设备系统间的信息交换采用的都是ARINC429串行总线标准。由于单工方式的工作特点，信息只能从通信设备的发送口输出，经传输总线传至与它相连的需要该信息的其他设备的接收口，信息不能倒流至发送端。在需要两个通信设备间双向传输时，使得ARINC429总线在实现设备间双向通信时必须另外建立一条物理链路，当设备数量增加时，飞机中的电缆数量急剧增加，为飞机带来了重量增加和互连复杂的不利影响。
1.2 MIL-STD-1553B总线
20世纪70年代初，美国空军莱特实验室开始实施DAIS计划，首次将串行数据总线引入军用飞机航空电子系统中。这就是1973年颁布的美国军用标准MIL-STD-1553[2]“飞机内部时分式指令/响应多路传输数据总线”。该总线很快应用于F-15飞机，并且我国现役战斗机的数据总线通信系统大多采用1553B标准进行数据传输。1553B总线使用屏蔽双绞线作为传输介质，互连线由主总线和短截线组成。主总线是传输数据的主电缆，电缆两头由与其传输阻抗相匹配的电阻器进行端接。主电缆的最大长度与电缆特性、终端数目及其分布有关，一般可达100～300 m。短截线是将终端连接到主总线的电缆。短截线的最大长度取决于它与主总线的连接方式，一般有直接耦合与变压器耦合两种连接方式。
1.3 AFDX网络
航空电子全双工交换以太网AFDX总线，是通过航空电子委员会审议的新一代机载以太网标准，是专用于航空电子网络互连的“确定性网络”[3]，所谓“确定性”主要是指时间的确定性，即“实时性”，实时性的性能保证机制由ARINC 664 part 7规范定义;part 7这部分还包含了固定路由和冗余数据包管理等内容。另外，根据ARINC 664规范定义的协议族part 1～part 8，网络管理、网络综合与区分服务、保密性和简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）分别根据不同的商用或工业标准改造而成，可以在AFDX的上层应用中得以应用。典型的AFDX网络由端系统、交换机和连接链路组成，端系统实现了基于虚拟链路的流量调度以及双冗余热备份机制，交换机具有流量的管制与过滤功能。AFDX的物理层服从ARINC664 part 2规范中对于飞机数据网络（Aircraft Data Network，ADN）物理层的定义。
2 机载总线电路参数模型
不管是同轴电缆还是屏蔽双绞线都属于传输线缆。根据飞机导线电气参数的分布情况，导线的数学模型可以分为分布参数模型和集中参数模型。
在飞机的导线系统中，由于信号主要是以高频形式传输，在高频率信号范围内，传输线的各项参数将发生变化，直接影响着电缆的电气性能。所以研究者考虑在趋肤效应下各因素对电气參数的影响。通过对飞机导线物质特性的研究，可以知道导线的电气特性由4个分布参数来表征：反映导线通过电流时，产生有功功率损失效应的电阻;反映载流导线周围产生磁场效应的电感;反映导线，带电时，绝缘介质中产生泄漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率损失的电导;反映带电导线，周围电场效应的电容。以飞机导线中常用的同轴导线为例，研究导线的等效电路和电气参数。同轴导线的结构主要由内导体、外导体及填充介质所组成，借助电缆等效电路，利用电报员方程，可以得到其标准微分方程：
同轴电缆单位长度电阻R：
同轴电缆单位长度电感L：
同轴电缆单位长度电容C：
导线单位长度的电导G为：
通过分析以上表征飞机导线电气特性的分布参数方程，可以发现：导线的电气参数与导线的材料、几何尺寸及所填充介质的参数有关，并且根据导线的结构组成，可以利用理论计算或实际测量的方法确定电气参数的具体数值。
3 结语
文章首先介绍了航空电子系统，对航电系统的发展历程及关键支撑技术航电机载总线网络进行了概要分析。然后，在此基础上对机载总线的物理层进行了建模分析，得出电缆单位长度的电阻、电感、电容、电导与电缆物质结构参数之间的定量关系，为后续传输线路电气特性变化的研究以及由于电气变化对机载总线性能的影响分析奠定了理论基础。
[参考文献]
[1]海灏，夏喜龙.基于FPGA的高速ARINC429数据过滤设计[J].电子技术与软件工程，2019（14）：13-14.
[2]张亚维，史强强，张乐.机载飞控1553B总线转以太网总线设计[J].测控技术，2018（8）：19.
[3]孟军，江涛，周龙，等.AFDX与1553B机载数据总线对比分析研究[J].教练机，2018（4）：20-22.
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