航空数据总线(1553B、ARINC429)介绍

关于1553B总线

MIL-STD-1553B总线原本是美军航空电子综合系统的标准总线，被用来为各种系统之间的数据和信息的交换提供媒介，它类似“局域网或者LAN”，以其优异的性能在航空、航天、航海和其他武器装备上得到广泛的应用，有“一网盖三军”之称。国内对其进行了跟踪研究，制定了相应的国军标GJB289A，并已应用于国产先进战斗机中。

1． 1553B的起源

二十世纪60年代以前，航空电子学是简单、独立的系统，航空、通信、飞行控制和显示器由模拟系统构成；信号主要由模拟电压、同-异步信号和接触式开关构成。

上世纪60年代，由导航/平显/武器瞄准系统(INS/HUD/WACS)组成的综合火控系统，配上远距空射武器，使战斗机如虎添翼。但作战信息数据总量暴涨，而设备间接口各异，互联协同难度大，成为作战效能的瓶颈。同时，由于缺乏统一标准，开发、维护和改进的成本不断上升。另一方面，为了减少系统所需要的“黑箱子”数量，在各系统之间共享信息也变得越来越需要了。

随着数字技术的出现，数字计算机已应用到航空设备系统中，然而需要数模转换仍限制其在此领域的广泛应用。随着技术的不断完善和发展，航空电子设备系统也变成数字化了；然而航空电子设备之间的通信仍然十分复杂和凌乱，且需要不同的硬件接口来应付不同的航空设备（如图一）；在不同的航空设备接口连线也十分复杂和混乱，安全性能也不高。为了简化这一状况，就提出了数据总线，即在不同的时刻和不同的航空电子设备之间能相互通信（如图二）。

图一图二

1973年8月美国军方和政府公布了MIL-STD-1553（USAF）标准，军方首次在F-16战斗机中采用此标准；随着技术的改进和完善，在1975年公布了改进版MIL-STD-1553A，该“A”版标准仍使用在美国空军F-16战斗机和新型攻击直升机阿帕奇AH-64A。1978年公布了MIL-STD-1553B标准并“冻结”该标准，该标准一直引用到现在。但在1980年后，美国空军又在此标准上改进一些，推出MIL-STD-1553 Notice 1；由于该标准限制较多，在1986年又出MIL-STD-1553 Notice２；但标准仍以MIL-STD-1553B为主。

粗略的说，单个机载电子设备就类似于计算机局域网LAN中的单个计算机，通过1553总线就可把各个机载电子设备组成1个网络，而1553标准就类似于通信协议，堪称现代作战飞机电子系统的“脊梁骨”。其核心就在于“标准”二字。有了1553，雷达、光电探测、导航、本机传感、座舱显示、外挂管理和火控计算机等得以完美的联结综合，构成了第三代战斗机标志性的分布式集中控制系统。

2．MIL-STD-1553总线的主要特征

MIL-STD-1553总线的传输速度为每秒1M比特，字的长度为20个比特，数据有效长度为16个比特，信息量最大长度为32个字，传输方式为半双工方式，传输协议为命令/响应方式，故障容错有典型的双冗余方式，第二条总线处于热备份状态；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式；能挂31个远置终端，终端类型有总线控制器（BC）、远置终端（RT）和总线监听器（BM）；传输媒介为屏蔽双绞线。MIL-STD-1553总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合。直接耦合方式（如图三）最长距离为1英尺（约30.5厘米），输入电平需要1.2伏到20.0伏，输出电压为6.0伏到9.0伏；而变压器耦合方式（如图四）最长距离为20英尺（约6.10米），输入电平需要0.86伏到14.0伏，输出电压为18.0伏到27.0伏。

图三直接耦合方式

图四变压器耦合方式

3．传输协议和帧传输格式

构成MIL-STD-1553传输协议有三要素：命令字、数据字和状态字；每个字的长度为20位比特，且由3部分组成：同步域（3个比特位）、消息块（16个比特位）和奇偶位（1个比特位）。在同步域中（第1到第3位）1个半比特位为高电平，1个半比特位为低电平；命令字和状态字在同步域中相同，先高电平再为低电平；而数据字则相反，先低电平再为高电平。在消息块中（第4到第19位）它们之间都不相同；第20位为奇偶位。

帧传输方式可分为两部分：帧传输方式和广播帧传输方式。在帧传输方式中有六种帧传输格式，分别为BC到RT、RT到BC、RT到RT和命令模式三种（即不带数据的命令模式、带数据发送的命令模式和带数据接受的命令模式）；在广播帧传输方式中有四种广播帧传输格式，分别为BC到RT、RT到RT和广播命令模式二种（不带数据的广播命令模式和带数据的广播命令模式）。详细帧传输格式如图五、图六所示：

图五帧传输方式

图六广播帧传输方式

传输过程中各种字所需的时间：命令字、状态字和数据字均为20微妙，响应时间最长为12微妙。不同帧与帧之间传输是有时间间隔的，一般时间间隔为10到30微妙；在今天广泛应用中，典型使用的主帧时间一般为40～640毫秒。

4．国内1553B情况

新中国空军的装配和战斗机的研制技术都起源于前苏联，这一点是我们不得不承认的。因此，在很长一段时期内，中国的战斗机都会留下前苏联战斗机的痕迹。西方从第三代战

斗机开始，在航电设计上都遵循了模块化设计、1553B总线、武器通用的外挂管理、雷达火控系统等特点。前苏联的战斗机在航电设计上存在很多弊病，主要原因在于前苏联的大规模集成电路技术远远落后于西方。于是前苏联的设计师们就用强大的整合能力将很多落后的元器件组成一套满足作战需求的电子设备系统，虽然这能够解决一时之需，但是从使用上看也存在着维护、升级方面的困难——从某种角度讲中国的战斗机也存在这种问题。

上世纪八十年代初，中国装配空军的主流战斗机是歼-8Ⅱ。由于歼-8Ⅱ机载设备的落后直接影响到该机总体性能的发挥，使歼-8Ⅱ在现代条件下生存率大幅降低。当时中国的防空面对苏联空军高空高速战略侦察机几乎无能为力，而苏联空军MIG－29、31，TU－22M3等高性能飞机的服役，使中国空军感到来自北方的空中压力日益沉重。

基于上述原因，中国希望能引进国外先进技术改良歼-8Ⅱ。此时期正是中国与西方军事合作的“蜜月期”，1986年中国与美国政府达成协议，同前格鲁曼公司合作改良歼8-II，这就是内部代号“八号工程”，对外名为“和平典范（PEACE PEARL）”的合作计划。该计划的主要内容是，美国对中国的55架歼-8II型战斗机进行现代化改装，包括安装现代化的雷达、火控系统、标准数据总线等设备，使之具备现代化战斗机的作战能力，中国方面提供了两架原型机远赴美国进行改装。当年歼-8II加装美国航电设备是1000万美元一套。美方声称，经过美国先进技术整和后的歼-8Ⅱ，其基本性能与F－16/79相当。中国空军希望用改装了的歼8-II装备部署在中苏边境附近的航空兵师，以防止前苏空军的可能入侵。“六四”后，这一计划随之受阻、流产。

格鲁曼公司对歼8-II战斗机改进的核心就在于引进了1553B数据总线。 1553B总线具有高速、灵活的特点，通信效率高，修改、扩充和维护简便。1553B总线的冗余度设计，提高了子系统和全系统的可靠性。总线本身（包括总线控制器、双绞线、偶合器等）平均无故障工作时间超过10000小时，在全系统中基本可忽略其故障率。采用1553B总线的连接方式就比歼-8Ⅱ上原有联结方式好得多，同时可以省去歼-8Ⅱ设备间复杂繁琐的点对点联结，仅此一项可令全电子系统的重量减轻约5％，并节省空间、耗电。在后勤维护方面，标准的接口、插卡非常容易拆卸，可以方便的通过数字式工具进行测试/虚拟。仅地面测试一项，就可比以往减少30%的维护工时。

“和平典范”计划使中国第一次真正获得了西方的航电观念，从公开展示的歼7MG、歼8-IIM、超7（枭龙/FC-1型）等战斗机及一些日常报道来看，中国的航电确实是在向西方标准靠拢。军方于1997年推出了国军标GJB289A-97《飞机内部时分制指令/响应型多路传输数据总线要求》，这实际上就是美国的1553B标准。这一切表明：尽管“和平典范”计划夭折，中国已经接受了“和平典范”计划带来的西方航电设计观念，并确立了1553B

的标准地位。

1553B标准决定了不同厂商的航空电子设备的规范化、标准化，有助解决我国航空工业的一些问题。基于1553B在航电中的地位和重要性，国家投入了大量的人力和物力进行1553B 技术的公关，已研制成功具有自主知识产权的1553B总线协议接口芯片（专用）。

目前，国内1553B产品的市场份额应不低于5000万左右，而且至少在未来十年内，1553B 产品的市场将保持快速的增长。虽然，国内已推出了1553B总线协议接口芯片，但由于其专用的局限性，使之不能被广泛的应用。因此，国内1553B产品的市场被DDC、Condor、SBS、Excalibur System等国外公司抢去了将近80%。国内开展1553B研究的单位较多，几乎都采用国外1553B总线协议接口芯片的方式。由于国外1553B总线协议接口芯片价格昂贵（1个带冗余的1553B接口通道价格接近2万人民币）、使用复杂，很难把其功能全部实现。因此，国内单位进行的1553B研究都几乎是自用，不能形成产品在市场上推广使用。

成都斯坦福基因信息工程有限公司通信事业部采用FPGA+DSP的方式实现了1553B协议。其推出的1553B产品，具有完全的自主知识产权，并具有较大的成本优势。产品功能设计完全是按照国内用户需要、完全能够替代进口同类产品和突破它们的弱点与限制，价格比进口同类产品具有优势。由于产品相应的软硬件技术均由公司自主掌握，与国外产品在国内代理商相比，我公司在技术支持上有很大的优势，用户可以在很短时间内掌握产品的使用和编程；另外，根据用户的特殊需求，公司能够很快设计出定制产品。

关于ARINC429总线

ARINC429 总线应用背景

ARINC 429是一种航空电子总线，它将飞机的各系统间或系统与设备间通过双绞线互连起来，是各系统间或系统与设备间数字信息传输的主要路径，是飞机的神经网络。规范是在ARINC419的基础上立草的，但又独立于ARINC419。过去许多航空设备采用的航空总线种类各异（如ARINC453、ARINC461/568、ARINC573、ARINC575、ARINC582），很难互相兼容。现代飞机电子系统要求各机载航空设备使用统一的航空总线，方便系统集成。ARINC429就是在这种需要下形成规范。ARINC429它具有接口方便、数据传输可靠的特点。目前已经是商务运输航空领域应用最广泛的航空电子总线，如空中客车的A310/A320、A330/A340飞机，波音公司的727、737、747、757和767飞机，麦道公司（97年与波音公司合并）的MD-11飞机等等。另外ARINC429也有在导弹、雷达等领域得到了应用。

关于 ARINC 429技术规范

ARINC429总线规范文档框架

ARINC 429为航电系统之间数字数据的传输定义了航空工业标准。ARINC 429正式称法为MARK 33 Digital Information Transfer System (DITS)技术标准。DITS标准的当前版本为ARINC 429-16，并分三个部分。

第1部分

ARINC技术标准 429P1-16提供功能、电气接口、标记和地址分配,及字格式描述。

第2部分

ARINC技术标准429P2-16提供一个标记排序的离散字位列表。

第3部分

ARINC技术标准429P3-16为数据块和文件传送技术描述协议和信息定义。ARINC 429技术标准究其起源于 ARINC 419技术标准, “Digital Data System Compendium”和DADS

575技术标准。不同于 419技术指标, ARINC 429定义了一种设计独特的总线并实现在广泛的应用领域，参与所有现代 ARINC LRU系统。绘画文本的传输和符号CRT映像和其他显示功能尚未定义。

Arinc429的电气特性

Arinc429总线上是一对单向、差分耦合、双绞屏蔽线。每条线上的信号电压范围为+5V 到-5 V之间。一条线称为A(或+)，而另一条线称为B(或—)。线路上的码型为双极性归零码，编码例子如下图。两条线路的差分信号的逻辑关系有三种：

当A-B的差分电压为7.25V~11V时，表示逻辑1

当A-B的差分电压为-0.5V~0.5V时，表示NULL

当A-B的差分电压为-11V~-7.25V时，表示逻辑0

接收线路上的电压取决于线路长度和挂接在总线上的接收器的个数(接收器不能超过20个)。

ARINC429 总线传输模式

ARINC 429技术标准将航空总线描述为“开环”传送模式。一般,这种类型总线被描述成支持多接收器的单工总线，其他术语则将它称为“传叫”或“广播”总线。在 429 总线中,发送线可替换单元（LRU）被认为是“起源”，接收线 LRU 被认为是“收点”。任何一个 LRU 都可能有多个起源和收点。对于错误检测,技术标准规定了奇校验指示和可选的错误核查方法。一般,数据组是由一组字和包含二进制（BNR）、二进位代码的十进制 (BCD)或字符的数据对每个ISO Alphabet No.进行编码的。当应用需要超过一个字时，ARINC429 也提供文件数据传输方式。绘画文本的传输和符号CRT映像和其他显示功能尚未定义。

每个总线只有一个发送器和最多 20个接收器；不管怎样,一个终端都可能有许多不同总线上的发送器或接收器。发送器发送 32 位字, 最前面是LSB（最低有效位）字,实际传输率可低、可高（12.5kbps或 100kbps）。ARINC429 总线上的 LRU 没有地址；它有设备编号,为设备/系统类型进行分组。设备和系统辨识编号用于系统管理，并不编码进 ARINC 字。一个LRU在总线上可以程序控制接听 ARINC 数据字。

ARINC 429字格式

ARINC429字由32个数据位组成，分为5个基本区域，分别为Parity、SSM、DATA、SDI、LABEL,如下图所示：

字的发送顺序为8、7、6、5、4、3、2、1、9、10、11、12、13、…、29、30、31。

Parity:字的第32位，一般为齐校验，除非用于测试的时候。

SSM：信号/状态矩阵，表示硬件设备条件，操作模式，合法数据内容。其表示的含义还与DATA类型有关，列表如下：

DATA：位11到29是数据位，某些场合将SDI也作为了数据位。数据的格式有多种，如BCD、BNR、离散数据等。

SDI：位10、位9为目的/源接收标示。

LABEL：位8到位1用于区别数据类型和相关参数。