“軍事”解析：飛機(jī)數(shù)據(jù)總線的構(gòu)成及特性分析

科技的騰飛不僅使電子技術(shù)飛速向前，也同樣帶動(dòng)了航空電子的長(zhǎng)足進(jìn)步。經(jīng)過(guò)了數(shù)年的改進(jìn)，飛機(jī)數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化。本文為你解析數(shù)據(jù)總線的構(gòu)成和特性詳解。
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，最重要的就是總線布局了，它對(duì)系統(tǒng)性能具有重要影響?？偩€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、網(wǎng)狀、星形。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(shù)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(lái)斷開(kāi)失效或破壞的網(wǎng)段，可成功地實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，其他無(wú)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。

幾種總線的特性分析

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(duì)它們特定尋址詢問(wèn)的那些有效指令或有效廣播（所有RT同時(shí)被尋訪）指令作出響應(yīng)。它可以與它所服務(wù)的分系統(tǒng)分開(kāi)，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(wèn)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(duì)其所接收的消息，無(wú)法檢測(cè)其錯(cuò)誤和失效情況。

ARINC及CSDB數(shù)據(jù)總線

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(chǎng)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(guó)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(duì)于每一個(gè)字的同步，可通過(guò)檢測(cè)每個(gè)字第1位的躍變來(lái)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?？偩€由雙絞屏蔽線組成，該線的阻抗符合美國(guó)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?？偩€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)。

ARINC629數(shù)據(jù)總線像ARINC429一樣是無(wú)主機(jī)的廣播式數(shù)據(jù)總線，按照載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）的規(guī)約來(lái)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(zhǎng)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(duì)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(wèn)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(guò)2塊可擦除的EPROM作為發(fā)送和接收“個(gè)性化插件”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度不超過(guò)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

變壓器耦合的終端輸出電壓（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;
變壓器耦合的終端應(yīng)對(duì)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(duì)硬件的要求相對(duì)來(lái)說(shuō)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(duì)接收器，其輸入電阻應(yīng)大于 12kΩ，差動(dòng)輸入電容和對(duì)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(duì)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(wú)效的。另外，在一根線對(duì)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(guò)30000pF。

數(shù)據(jù)總線之所以重要，是因?yàn)轱w機(jī)的性能好壞很大程度上依賴于數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)的因素非常多，為了達(dá)到最高的效率和減少費(fèi)用，會(huì)在一些指標(biāo)上會(huì)有附加的一些要求，比如，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。需要注意的是，關(guān)于總線的數(shù)據(jù)確定，需要基于國(guó)內(nèi)外的資料及聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以免后續(xù)花費(fèi)高額的費(fèi)用來(lái)進(jìn)行修正設(shè)計(jì)。