浅析EICAS系统中总线技术的应用
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摘要：现代民用飞机“发动机指示与机组警告系统”（简称EICAS系统），是飞机航空电子系统的核心分系统，是负责向机组人员显示飞机发动机和其他系统运转情况的综合显示系统。由于EICAS系统需要实时显示飞机飞行时的多组关键数据，其需要通过飞机上的机载网络及其他设备获取大量数据。本文通过分析ARINC664总线及ARINC429总线的技术特点，介绍这两种总线在EICAS系统中的应用。
关键词： EICAS系统;ARINC664总线;ARINC429总线;机载网络;航空电子系统
中图分类号：TP334.7 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）26-0205-02
Abstract： On the modern civil aircraft， the “Engine Indication and Crew Alerting System”（EICAS）is the core subsystem of the avionics system， and also the integrated display system which is responsible for reporting the working status of the engine and other system. Due to the EICAS needs to display multiple groups of important data during the flight in real time， it needs to acquire a lot of data from the airborne network and other devices. This paper introduces the use of the arinc664 and arinc429 buses in EICAS by analyzing the features of them.
Key words： EICAS;ARINC664;ARINC429;airborne network;avionics system
1引言
发动机指示与机组告警系统（EICAS）是新一代具有综合性多功能显示的彩色显示装置，是具有全程监控、多种显示、存储信息和飞机报警等功能的机载复杂系统[1]。在飞机上，尤其是处于某些紧张飞行状态，显示器必须保证驾驶员在极短的时间内准确地获取所需要的信息，并进行及时、准确的操纵[2]。对于后台机载设备产生的大量参数，为了提高参数获取的精度和减轻驾驶员负担，现代飞机上的机载设备趋向于综合指示。一般EICAS系统需实时显示飞机发动机、燃油、液压、环控、电源、操纵、辅助动力装置、结冰探测等分系统的参数并进行监控。在现代民用飞机中，如图1所示，各个分系统一般包含控制器、传感器、制动器等，这些设备具有ARINC429总线数据信号、模拟量和离散量数据，或其他信号，这些信号通过接入航空电子系统的航电计算机[3]，通过作为机载网络主总线的ARINC664总线传输至EICAS计算机及显示器，再由EICAS系统进行处理及使用。
2 ARINC429及ARINC664总线
2.1 ARINC429总线概述
ARINC429总线协议的全称是数字式信息传输系统（Digital Information Transmission System），最早是由美国无线电公司（ARINC）制定的标准和规范。目前许多的商用飞机上使用了ARINC429总线通信系统，我国航标“SZ-01数字信息传输系统”（HB-6096-86）也规定为ARINC429[4]。ARINC429总线标准自1977年发展至今，广泛应用在先进的民航客机中，如B737、B747、A330、A340、CS100等，已被证明在要求严格安全的应用中是非常可靠的[5]。
ARINC429总线为单工通信而非全双工通信，从一个发送器到各个接收器的数据流是单向的。如果形成总线通信系统，要求两个方向都能进行数据传输，则每一数据流方向都需使用一根独立的数据总线[6]。数据从一个信号源发出通过线电缆传至各接收器，1个信号源可支持20个接收器。ARINC429的通信速度分为高速的100Kbps和低速的12.5Kbps。ARINC429消息为1个包含了5个区域的32位字。第32位为奇偶校验位（Parity bit），用于数据在传输过程中检查是否有丢失或错误。30到31位为符号状态矩阵位（SSM），它指出数据的特性;29位到11位是数据位;10位到9位是源终端识别（SDI），用于标识数据发送源;8位到1位是标号位（LABEL），用以区别各类数据字。
2.2 ARINC664总线概述
ARINC664总线标准由美国无线电公司（ARINC）制定，它由工业标准以太网（IEEE 802.3）经适用性改进，为下一代航空电子系统数据传输所定义的一个确定性航空电子数据传输网络标准。其中第7部分定义了一个确定性航空电子设备全双工交换以太网（Avionics Full Duplex SwitchedEthernet，AFDX），具有高带宽低延时、确定性、双余度和可靠性的特点，已在大型客机A380上成功使用。
ARINC664网络的传输速度为100Mbps，其网络架构在架构上与以太網类似，采用端系统和交换机构成的星型拓扑[7];同时，通过交换机之间的级联，可对ARINC664网络进行拓展。ARINC664网络主要包括交换机和端系统。在一个ARIN664网络系统中，有2个独立的交换网络，即A网络和B网络，如图2所示。一个端系统发送的数据包将发送至2个网络上，而接收的端系统将收到2个数据包，这样，当某一网络出现故障时，另一网络仍能正常工作，2个端系统间仍够能正常通信，提高了数据传输的可靠性。 ARINC664消息分为隐式（Implicit）或显式（Explicit），在这里，将着重讨论隐式结构消息。显式消息结构包括格式信息，隐式消息结构没有相关的格式开销，消息中不含解释消息内容的识别方法，但是能更有效率的利用网络带宽。对应的，隐式消息的解释是应用程序通过接收数据的端口号来确定的。ARINC664消息的第一个区域为32位的保留域，被填充为全0;随后是一个4字节共32位的功能状态集（Functional Status Set），每个字节表示一个数据集的功能状态，可支持后续最多4个数据集（Data Set）的功能状态;最后是至多4个数据集，数据集支持有/无符号数及浮点数、布尔量、字符串或者非透明数据[3]。
3 两种总线特点对比
ARINC664级ARINC429总线两者的区别，主要在集中在发展能力、传输速度、扩展能力、线缆数量及重量、兼容性及可靠性这六个方面。
1）发展能力：ARINC664总线诱人的原因之一是它基于以太网技术，以太网技术自1972年发展至今已非常成熟，且相比ARINC429和MIL-STD-1553总线等，具有更多的投资及发展空间。
2）传输速度：ARINC429总线速度最高为100Kbps，而ARINC664总线可以达到100Mbps。ARINC664总线的速度是ARINC429的1000倍。
3）扩展能力：ARINC429总线一个发送信号源仅支持至多20个接收端;ARINC664总线的接口数量仅受交换机上的接口数量限制，可以通过交换机级联简单地增加接口数量[8]。
4）线缆数量及重量：ARINC429总线是单工通信，如果需要两个设备间能互相通信，那么需要两根总线进行接收及发送，在多设备交联及冗余备份的情况下，需要较大数量的线缆;ARINC664总线是双工通信，且端系统与端系统间无须连接，总线线缆均连接至交换机，减少了线缆的数量及重量，及连接的复杂性。
5）兼容性：ARINC664总线作为ARINC429总线的继任者，其在消息结构上除了支持常见的支持有/无符号数及浮点数，布尔量，字符串数据，还支持不透明数据。ARINC429数据可作为不透明数据通过所在设备的端系统通过ARINC664总线上传至机载总线网络，再由应用进行解析。
6）可靠性：ARINC429总线经过数十年的发展，经过在多种机型上的使用，已经证明了其可靠性;ARINC664总线采取A、B网络的冗余管理，以及在A380机型上均证明了其可靠性。
4结论
由上述介绍及对比可知，相较ARINC429总线，ARINC664具有传输速度快、扩展能力强、利于减轻线缆数量及重量的特点，更适合作为机上航空电子系统的主网络;同时，ARINC664总线消息结构支持传输不透明数据，这样使得ARINC429数据可通过其所在设备所在的端系统上传至ARINC664总线网络。
由于现阶段使用ARINC429接口的控制器、传感器及作动器仍较多，其子系统控制器可通过ARINC429总线对子系统数据汇总后，再通过其ARINC664端系统上传至ARINC664总线网络，EICAS系统计算机通过ARINC664交换机获取数据，可以完成全机子系统的数据快速采集，在解算后向机组成员快速反馈机上发动机及各子系统的状态，并进行告警。
参考文献：
[1] 姜晓莲.浅析发动机指示和空勤告警系统[J].装备制造技术，2011（11）：17-19.
[2] 张文静.民用飞机座舱显示与控制系统接口设计[J].中国高新技术企业，2016（13）：18-20.
[3]GE Fanuc Embedded Systems. AFDX/ARINC 664 Protocol[Z].U.S.A： GE Fanuc Embedded Systems，2007.
[4] 高扬，徐景硕.实现ARINC429总线数据传输的方法[J].测控技术，2002，21（8）：64-65.
[5] 尚洋.民用飞机ARINC429总线核ARINC664总线应用权衡研究[J].科技视界，2017（12）：97，73.
[6] 宁新建.航空机载计算机及其总线[J].计算机与网络，2003（24）：54-55，58.
[7] 姜麗云. AFDX网络关键技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2013.
[8] 戴高乐，邢卉丽，杨善水，等.大型民机配电系统AFDX总线应用技术研究[J].计算机测量与控制，2018，26（5）：257-260.
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