“軍事”解析：飛機數(shù)據(jù)總線的構成及特性分析

科技的騰飛不僅使電子技術飛速向前，也同樣帶動了航空電子的長足進步。經(jīng)過了數(shù)年的改進，飛機數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)了規(guī)范化。本文為你解析數(shù)據(jù)總線的構成和特性詳解。
總線的構成

一旦設計者確定了基本的飛電系統(tǒng)結構后，最重要的就是總線布局了，它對系統(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計的依據(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飛機內部時分制指令/響應式多路傳輸數(shù)據(jù)總線”規(guī)定，總線要有一個中央總線控制器。線性的雙向總線布局設計最常用。

設計時，要注意采用特別的預防措施，否則容易產(chǎn)生單點失效（可運用故障樹分析技術檢查）;網(wǎng)狀布局可用于通用的先進容錯系統(tǒng)，優(yōu)點是：利用節(jié)點控制器來斷開失效或破壞的網(wǎng)段，可成功地實現(xiàn)容錯，其他無損壞的網(wǎng)段上，按規(guī)定路線發(fā)送信號，系統(tǒng)的全部功能可重構;星狀結構的布局除具有上述優(yōu)點外，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的遠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。遠程終端（RT）是 1553B總線系統(tǒng)中數(shù)量最多的部件，事實上，在一個給定的總線上最多可達31個遠程終端。遠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同時被尋訪）指令作出響應。它可以與它所服務的分系統(tǒng)分開，也可嵌入分系統(tǒng)內。1553B總線的第二個特性是位優(yōu)先權。

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)男盘柺谴袛?shù)字脈沖碼的調制形式，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程終端作出特定、唯一的響應。后4種是廣播格式，這些格式在接收消息的終端不需確認其接收的情況下，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標準卻強烈奉勸人們別使用它的這種能力，這是因為終端對其所接收的消息，無法檢測其錯誤和失效情況。

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個接收器。其通信的三個狀態(tài)的多路信息流，采用帶有奇偶校驗的32位消息字。信號波形為雙向歸零碼，其位寬取決于總線的工作速率。低速時位寬為(70～80)±2.5%μs，高速時位寬為10±2.5%μs。低速總線用于一般用途的、非關鍵性的應用場合;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。對于每一個字的同步，可通過檢測每個字第1位的躍變來實現(xiàn)。在連續(xù)傳輸?shù)淖峙c字之間至少有4個位時的時間間隔。

工業(yè)標準數(shù)據(jù)總線（CSDB）是一個二進制的二種狀態(tài)的波形?？偩€由雙絞屏蔽線組成，該線的阻抗符合美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）RS-422A標準要求。

ARINC6路總線（561，568，582）是一個二進制、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)、字同步和時鐘信號傳送，串行數(shù)據(jù)被編成二進制編碼數(shù)據(jù)(BCD)和二進制數(shù)據(jù)，前8位用作地址，后24位用作數(shù)據(jù)。時鐘信號為一個11±3.5kHz矩形波信號，上升和衰減時間在2～6μs范圍之內。

ARINC629數(shù)據(jù)總線像ARINC429一樣是無主機的廣播式數(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之間仍有幾個相似之處。每個字的字長為20個位時，其中數(shù)據(jù)占16位并有一個奇偶校驗位。標號字有3個位時的高-低同步波形，而數(shù)據(jù)字的同步波形是由低變高，也占3個位時。一個消息由1～16個字串組成。每個字串有一個標號字，再跟最多可達256個數(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。值得一提的特點是容易采用電感性耦合器與總線相連接，連接時不必割斷導線，這是它對提高可靠性和降低電磁干擾的卓有成效的貢獻。

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構。這種控制機構通過2塊可擦除的EPROM作為發(fā)送和接收“個性化插件”來實現(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套的電纜，要求每英尺（1ft=0.3048m）絞合4扭，屏蔽最少應覆蓋電纜表面的75%。頻率為 1MHz時，電纜的特性阻抗應在70～85Ω內。電纜的每一末端必須接一個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小于或等于 30pF/ft，且電纜的損耗在頻率為1MHz時應小于（或等于）0.015dB/ft，電纜長度不受限制。

1553B標準規(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。

它們用硬導線進行線與線間的連接，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，但設計者應努力設法盡可能使其長度不超過6.1m。共模抑制比應大于（或等于）45dB。

1553B總線關于終端的詳細性能要點如下

變壓器耦合的終端輸出電壓（線與線之間）的峰-峰值應在18～27V范圍內，其噪音（線與線之間）有效值小于14mV;
變壓器耦合的終端應對峰-峰值在0.86～14.0V(線與線之間)范圍內的輸入信號作響應，在75kHz～1MHz范圍內，終端的最小輸入阻抗應為1kΩ。

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

對接收器，其輸入電阻應大于 12kΩ，差動輸入電容和對地電容都應<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20個接收器時不至于使總線超載，且在故障情況時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，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都認為是無效的。另外，在一根線對地短路故障時，將會產(chǎn)生一個變動范圍高達+5.5V或-5.5V的差動電壓。在實際應用中，最大旁路電容不應超過30000pF。

數(shù)據(jù)總線之所以重要，是因為飛機的性能好壞很大程度上依賴于數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線設計的因素非常多，為了達到最高的效率和減少費用，會在一些指標上會有附加的一些要求，比如，冗余度、任務完成率、維修小時與飛行小時之比、MTBF和地面維修時間等。需要注意的是，關于總線的數(shù)據(jù)確定，需要基于國內外的資料及聯(lián)機實驗的結果，以免后續(xù)花費高額的費用來進行修正設計。