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News Detail

AFDX船舶应用

1.AFDX在国内外的使用情况

1.1.  空客

AFDX在空中客车A380和A400M中均有使用。

AFDX作为A380大型客机的航空电子综合化网络,对机上飞行控制、座舱、动力、燃油、机舱等系统的电子设备进行互连,并考虑到飞机的冗余控制和左右的空间布局,网络拓扑形式为:骨干交换机与接入交换机,每个接入交换机与大约20个端系统全双工相连,总共150~200节点,网络连接具有冗余链路。

1.2.  波音

AFDX的应用实例还包括波音787 和波音767-400ER通信与飞行管理系统。

1.3.  国内情况

我国的大飞机已确定用AFDX系统,在AFDX被提出之前,我国也对交换式以太网在军用平台上的应用进行了研究,其中,双冗余交换式以太网已经在我国的舰船上得到了应用,舰载电子设备空间分布广,与大型机上的应用环境有着类似的地方。

目前,我国对AFDX的研究是与先进航空电子综合化系统关键技术相结合进行的,各相关的科研院所、大专院校均已用GE的AFDX的产品进行网络的性能评价与工程应用。

2.  AFDX技术论证

2.1.  什么是AFDX

AFDX全称为航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full Duplex SwitchedEthernet ),简称AFDX,它是为在航空子系统之间进行数据交换而定义的一种协议(IEEE 802.3和ARINC 664 Part7)标准,是基于ARINC429和1553B基础之上的一种总线通信协议规范(ARINC664)。

AFDX是机载交换式网络的代表,也是大型机航空电子网络的有价值的候选方案。AFDX发源于商用交换式以太网技术,根据航空电子的应用特点进行了改造,获得产业界的广泛支持,并且已由航空电子工程委员会(AEEC)发布了ARINC 664 part 1~part 8规范草案。

2.2.  AFDX用途

AFDX网络是大型运输机和民用机载电子系统综合化互联的适宜的解决方案。

传统大型飞机机载系统的信息处理密度小于主战飞机,它们的航空电子系统由成套的分立式设备组成。然而,大型飞机的航空电子系统不会停滞不前,机载电子系统会涉及到高性能的处理与信息综合与融合任务,从长远来看,综合式模块化是航空电子系统发展的趋势。因此,我们的确需要从实际情况出发,采用一种既能够满足信息综合强度和实时性能保证的要求,又能够兼顾多代既有的航电设备,而且能够稳步地过渡到先进的航空电子体系结构的开放式网络互连技术,航空电子全双工交换式以太网(AFDX)就是这种应用条件下成功的典范。

2.3.  AFDX与1553B,ARINC429的区别

ARINC429和1553B两种实用化机载总线都经过了多年的实际应用,其优点也是毋庸置疑的。但是,它们同时也存在不同程度的缺点。MIL-STD-1553B总线的主要缺点是采用了总线控制器,整个总线系统的通信是在总线控制器的指挥下完成的,这给总线带来潜在的单点故障可能性,一旦总线控制器失效,将造成整个总线系统的瘫痪。虽然可以增加一个备用总线控制器来提高总线的可靠性,但这样就大大增加了系统软硬件的复杂程度。同时1553B总线虽然提高了综合化程度,但是单条1553B总线的节点数目不能超过31个,集中式的总线调度限制了系统升级和适应多任务的灵活性。

ARINC429总线虽然没有总线控制器,但是为了使消息在总线上有序的传输而不发生碰撞,其付出的代价是只能使一个信源连接一条ARINC429总线,这必然大大增加了电缆重量和联接器的数量,这给航空电子系统进行更大规模的综合带来不可逾越的障碍。

AFDX的传输速度可以达到100Mbit/s甚至更高,传输介质为铜制电缆或光纤。AFDX中没有总线控制器,不存在1553B中的集中控制问题。同时,AFDX采用接入交换和骨干交换拓扑结构使它的覆盖范围和可以支持的节点数目远远超过了1553B总线。

在ARINC429中,一个发送机可以连接20个接收机。而在AFDX中,发送机连接的接收机的数量仅由交换机端口的数目限制。同样,通过交换机的串连,可以很容易的将接收机的数量增加到需要的数目。另外,根据ARINC 664 part7 “确定型网络”草案的规定,AFDX采用虚拟链路(virtual link, VL)技术替代数目众多的ARINC 429单向传输总线,大大减少了电缆的重量和联接器的数量,使航空电子系统可以进行大规模的综合。

几种总线性能指标对比如下:

ARINC429

1553B

AFDX

商用

以太网

FC

应用机种

A310,A300,600

波音757-767

F16,F18,B-1

A380,A400M

波音787 ,波音767-400ER

传输速率

低速为12~14.5kb/s;高速为100kb/s

1Mbps

10/100/

1000M/bit

10/100

/1000M/bit

1Gbps

实时性

较高

消息最大数据字节

4

32

1518

1518

2112

传输方式

单工

半双工

全双工

半双工/全双工

仲裁环

通讯方式

异步

异步

传输码型

双极性归零码

曼彻斯特双极性码

耦合方式

直接耦合

变压器耦合

传输介质

屏蔽双绞线

屏蔽双绞线

光纤/电缆

光纤/电缆

光纤

拓扑结构

点对点

总线型

星型

星型

星型

最大终端数

20

32

冗余特性

不支持

支持

支持

不支持

不支持

标准颁布时间

1977

1978

目前机载总线主要有ARINC429、1553B、AFDX、商用以太网和FC等。

ARINC429总线传输速率仅有100Kbps,由于是点对点的连接方式,所以多个分系统之间相互传输数据时需要多条数据总线,从而大大增加了机载电缆的数量。

1553B总线实时性较高,总线速度最高只能达到1Mbps,并且需要总线控制器进行总线的统一调度,比较适用于分系统之间控制指令的传输,不适合分系统间大数据量的传输。

FC的传输速率虽然达到1Gbps,但构建机载网络系统的成本较高,再加上目前国内技术不成熟,无法直接用于机载型号的研制。

商用以太网传输速度可以达到10/100/1000M/bit,适合大数据量的传输,但商用以太网协议本身并不能保证传输的实时性。

AFDX的传输速率一般为100Mbps,采用商用以太网的MAC和物理链路,从而大大降低了总线网络系统的全寿命周期成本,另外通过对商用以太网的传输协议进行实时性改造,并增加了虚拟链路(VL)的概念,同时通过双余度的传输网络来保证数据传输的实时性和可靠性。目前,AFDX总线网络系统已经应用到民用客机A380、B787、ARJ21和军用运输机A400M上。

2.4.  AFDX组成

2.4.1.  AFDX网络拓扑

AFDX具有封闭的网络拓扑,拓扑结构为星型。AFDX网络主要由端系统(end-system),AFDX交换机(switch)以及传输链路(link)组成。如下图所示:

图1  AFDX网络拓扑

如图1,每个端系统分别与AFDX交换机相连,每台交换机大约能连接20个端系统,形成接入交换网络;AFDX交换机之间通过背板总线连接,形成骨干交换网络。

2.4.2. 端系统

端系统是构成AFDX网络的一种重要网络元件,它嵌入在每个航空电子子系统中,将子系统与AFDX网络连接起来,它负责消息的发送和接收。AFDX“确定型网络”的特性主要由端系统实现,这些特性主要包括:流量整形、完整性检测和冗余管理等。

2.4.3.  AFDX交换机

交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。相比于商用以太网交换机,AFDX交换机具备了过滤功能、交换功能、故障隔离、静态路由等特点。下图为AFDX交换机的内部结构。

图2 AFDX交换机内部结构

由上图可以看出,每个航空电子子系统(自动驾驶仪、多功能显示器等)采用全双工方式用两对双绞线直接连接在交换机上,一对用来发送(Tx),一对用来接收(Rx)。这样就消除了半双工以太网中遇到的争夺问题。在实际中,会使用一个冗余的交换机。

2.5.  功能

2.5.1.  AFDX帧结构

AFDX网络中传输的信号和以太网一样是以帧的形式存在的,帧是以太网通信信号的基本单元。AFDX帧结构遵守由IEEE802.3标准规范的以太网帧结构,如图3所示。

图3  AFDX帧结构

2.5.2.  实时性

AFDX是一种确定型网络,其确定性其中很重要的一部分是指时间的确定性,即网络保证给定的处理(或通信传输)会在确定的时间段内(截止期限)内完成。AFDX的实时性是通过流量整形机制来保证的。在介绍流量整形机制之前首先对几个AFDX中的重要概念进行简单的说明。

2.5.3.  冗余管理

AFDX网络在运行时需要两个互为冗余的交换网络(网络A和网络B),AFDX通过冗余路径来提高网络的可靠性。在端系统中,每个需要发送的帧都被复制,然后分别发送到网络A和网络B上,最后帧和其副本都被传送到目的端系统中,如图4所示。

图4  网络余度

3.航电系统方案

AFDX系统结构如下图所示,航电系统通过端系统与AFDX仿真网络交换机连接。端系统嵌入在航电系统中。一般来说,航电系统能够支持多个航空电子子系统。任务分区给同一个航电系统中的航空电子子系统提供了隔离。

4.AFDX船舶系统可行性方案

新型的船舶主动力监控系统是以双环冗余工业以太网及工业现场总线为网络基础,结合嵌入式双冗余主机系统、工业以太网交换机、网关(现场总线与以太网转换)、智能人机交互系统、智能图像监控采集终端、现场数据采集终端等嵌入式网络设备和智能模块构成的对船舶主动力系统(包括柴油机、燃气轮机、推进电机等及附件)进行监控的网络系统。

但这种双环冗余工业以太网还是存在着以太网的先天缺陷:即通讯的不可控、不确定和强占带宽等缺点。

AFDX网络可解决这些潜在的通讯问题,其存在优势如下:

·  现有的船舶主动力监控系统是以双环冗余工业以太网及工业现场总线为网络基础,而AFDX网络也是基于以太网协议规范改进的。

·  随着船舶主动力系统日趋复杂,船舶主动力监控系统的要求也越来越高。AFDX可满足高可靠性要求。

·  AFDX在国外的大飞机上得到成功应用,国内大飞机AFDX系统已在各研究所得到测试和仿真。这种星型的网络架构可拓展的很多领域,尤其船舶行业最为被看好,将来会有大量的应用空间。

·  首先船舶内部通讯、联络装置各节点分布类似大飞机的各个ES,如果用AFDX网络替代原有的1553和其它总线,这必然大大减少了电缆重量和联接器的数量,这给船舶电子系统进行更大规模综合的控制和组网带来革命性的改变。

·  AFDX的传输速度、信息综合强度和实时性、冗余网络结构完全可以满足现代各种船舶的控制需求。

·  AFDX的低成本及开放的网络架构是下一代船舶控制的最佳选择。

·  同时,AFDX采用接入交换和骨干交换拓扑结构使它的覆盖范围和可以支持的节点数目远远超过了1553B总线。

参考文献:

    1. AFDX 指南

    2. AFDX 协议

    3. 产品手册