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航空机载总线网络技术及发展

随着微电子技术、计算机技术和通信网络技术的发展应用,航空电子正逐步向智能化、模块化、标准化、综合化、统一化等多层次方面发展,航空电子系统结构每次变化,其核心的机载总线网络技术也不断跨上新台阶,每一次变革都能够使飞机性能得到大幅提升,在结构上,航空机载总线传输方式经历了从孤立设备的单一传输发展到共享总线、再到支持多个节点同时收发数据的交换式网络互联,传输速率也从最开始的KB量级发展到了MB甚至GB量级。本文将按照时间顺序介绍在机载通信领域发展中具有代表性的体系结构及网络传输标准。
一、分散式结构
接收方式:单信息源/单接收器
传输方式:专用线缆
诞生年代:50年代
这种结构是数据总线的最早雏形,其主要由单一发送器与单一接收器连接的专用数据传输线路构成,只能完成数据从发送器到接收器的单向传输。这种总线功能单一,使用大量的物理链路进行数据传输,不具备多设备互联的基本功能,不利于模块化的航空电子系统的综合与扩展。
主要应用:狂风和海鹞式飞机的航空电子系统
二、集中式结构
接收方式:单信息源/多接收器单向传输
传输速率:12.5Kb/s或100Kb/s
诞生年代:70年代
这是一种一个发送设备可以向多个接收设备发送数据共享的总线技术。总线上的发送设备与接收设备采用屏蔽双绞线连接,通过点到点相互连接,采用单信息源,多接收器的传输方法,编码调制方式采用双极性归零制三态码。这种系统结构简单,技术完善,可以通过主控设备控制多系统统一运行,能够实现基本的开环控制功能。其主要缺点为系统仅能实现单向数据传输,主控设备无法得到数据信息反馈,最多仅能支持20个接收器。
主要应用:ARINC 429协议,广泛应用于波音737、波音757、波音767、空中客车A320、A310、A300等主流民航客机的早期型号中。
随着系统中设备的增多,点到点单向传输总线连接线路已无法满足复杂系统需求,系统需要一种能够传输更大数据并支持双向通信的网络协议。
三、联合式
接收方式:多信息源/多接收器共享总线
传输速率:2Mbp/s
诞生年代:20世纪90年代
此种系统中,多个系统设备通过共享总线,实现各个设备之间数据的双向传输。通过分时复用,多个发送源可以向多个接收器发送数据。基于数字通信技术的网络总线协议采用多层网络分层结构,拓扑结构更改为环形结构,形成的共享式总线相对灵活,易于更改和扩充,此种结构能够保证系统实现对设备间数据控制,使系统进行闭环控制。但总线内数据传输有迟待,传输交换数据量有限,无法完全满足数字式通讯需求。
主要应用:ARINC 629协议,应用于波音777系列飞机。
四、综合共享式
接收方式:支持多节点同时收发的交换式
传输速率: 100 Mbp/s
诞生年代:21世纪
随着系统设备数量的进一步增加,其间的传输数据量也不断增大,ARINC 629协议带宽已经不能满足实时数据交换应用带宽的需求。综合模块化航空电子系统技术成为当今国际航空电子系统发展的主要趋势。因此基于现代网络技术发展,全新网络拓扑结构从总线互联结构转化为基于交换机和路由器的交换结构,数据通信机制也从原来的CSMA /CD协议转化为网络交换协议,此系统采用星型结构,保证系统抗单点失效能力,支持多个节点之间同时收发数据进行实时数据交换,系统具有吞吐量大、可扩展性能强、数据传输延迟小等特点。
主要应用:AFDX网络/ARINC 664协议,主要应用于波音787、空中客车A380等现代设计的大型客机上。
随着网络技术发展,民用航空大型客机中设备间相互数据传输对通信网络的吞吐量、速率和延迟等都提出了更高的要求,机载网络承担飞机神经中枢作用,使精确闭环控制成为可能,在航空电子系统中起到越来越重要的作用,并已成为衡量现代飞机性能的重要要素之一。

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