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摘 要：目前民航飞机上应用最广泛的机载数据总线包括ARINC429总线、ARINC629总线、满足ARINC664规范的全双工交换式以太网（AFDX）总线，本文总结阐述了三种总线的各自特点及其存在问题，同时就其结构特点对三种总线进行对比分析。
关键词：ARINC429、ARINC629、AFDX总线、教学难点
1 引言
数据通信是现代计算机技术发展的产物，在计算机中，数据以二进制数字形式表示，这些二进制数字代表着文字、符号、数码、图像和声音等信息，如何在通信线路上正确地传输这种离散的二进制信号，就是数据通信要解决的基本问题。所以数據通信是数字通信技术系统所能传输的多种信息中的一种，是计算机设备之间通信所传输的信息。
在民航机载通信系统中，数据通信是相对于语音通信而言。以我们日常使用的智能手机为例，现代智能手机均采用数字通信方式工作，但如果双方是处于通话状态，以语音交流，则称为语音通信；如果通信双方是收发短信、微信等文字、图片信息，则称为数据通信。
2 民航飞机内部数据通信
民航飞机的机内语音通信功能由内话系统完成，而飞机内部数据通信则依靠“机载数据总线”来完成，机载数据总线是现代民航机载设备信息化、综合化的关键技术之一，直接影响着民航飞机的运行性能。不同机载设备中的计算机除了完成各自系统的处理功能外，相互之间还需要进行信息交换，即机载设备之间的数据通信，才能将不同的机载设备组合成一个有机整体。不同机载设备之间的数据通信是通过机载数据总线来完成的，机载数据总线已成为现代民航飞机的“中枢神经”。
2.1 ARINC 429数据总线
ARINC429总线是第一种广泛应用于民航飞机的数字式数据总线，是机载电子系统从模拟式向数字式转换的标志，具有划时代的意义。ARINC429 数据总线协议规范是美国航空电子工程委员会（AEEC-Airlines Engineering Committee）于 1977 年 7 月提出的，并于同年发表并获批准使用，由美国ARINC公司出版。ARINC429 规范将民航飞机上各个机载设备通过数据总线连接成一个整体，构成飞机内部的数据通信网络。
ARINC429总线采用单信息源、多接收器的单向数据传输，以半双工方式工作，常见的数据传输速率为12.5 kb/s和100kb/s，设备间通过双绞屏蔽电缆连接。由于是采用单向半双工的数据传输，与典型数据总线能沿着单组导线在多个端点之间提供全双工数据传输的概念不太相符，因此部分书籍将ARINC429称为数字信息传输系统，而不是“数据总线”，但根据其传输数字数据的用途，许多教材还是称其为“数据总线”。
数字数据在ARINC429总线上传输的基本单位是数据字，每一个数据字都是32位长。因为数据是单向传输，所以数据字是按开环方式传输的，即数据字从信息源发出后，不需要也无法获得接收器确认回复，如果需要某个接收器回复确认信息，需要从硬件上增加一条ARINC429数据总线从该接收器连接到信息源的发送器上。
2.2 ARINC629总线
ARINC629总线标准发布于1990年代中期，计划用于取代ARINC429标准，ARINC629总线对比ARINC429总线具有较大优势，在材料使用方面，B767飞机上的ARINC429总线需要约4860个接点，600扎导线，导线重量约1180公斤；而B777飞机上的ARIN629总线仅需要约1580个接点，400扎导线，约658公斤，可见ARINC629总线所需的导线数量少，接口数少，因此具有更高的工作可靠性和维护简易性。
ARINC629规范定义了一套完整的数字通信系统，它由多条数据总线和多个子系统模块组成，各子系统模块通过标准接口与数据总线连接。数据总线是双绞线或光缆，在总线上连接的每个子系统模块都是通过一个标准接口连接到数据总线上的，ARINC629总线的标准接口为电流模式总线接口。一个子系统由一个或多个外场可更换模块（LRM）组成，子系统之间传送和接收数据必须遵循同一个标准协议。ARIN629总线的连接示意图如图2.6-1所示。
ARINC629总线提供了比ARINC429总线快20倍的数据传输速率，达到2Mbps，采用总线型拓扑结构，即每个终端既可以发送又可以接收，通信方式为半双工方式，即在总线上同一时刻只能有一个终端的数据在传输。与ARINC429总线类似，不需要专门的总线控制器控制数据传输，数据传输时占用数据总线的规则由所有参与传输的终端（子系统）自主完成。子系统内部由多个板卡构成，每个板卡完成一个或多个机载电子设备的计算功能，即采用ARINC429总线结构中的一个LRU或多个LRU的计算功能整合到ARINC629总线结构的子系统中的一块板卡来完成，这样可以节约大量空间和重量，这是IMA系统的特点。
2.3 全双工交换式以太网（AFDX）
全双工交换式以太网（AFDX）是一种实时、确定的总线网络，具有带宽高、延迟低、可靠性高、扩展性好等特点，目前已经在空中客车公司的A380飞机和波音公司的B787飞机上得到成功应用，其中A380是首款完全采用AFDX总线网络的机型。
AFDX是空中客车公司为了解决民航飞机内部传统数据通讯网络布线复杂，线重过大，通讯速率慢而提出的一种在商用以太网基础上改进而成的新型航空通信网络，并成功应用于A380飞机上。商用以太网IEEE802.3技术成熟，资源丰富，市场化程度高，通讯速度快，10M/100M 已经广泛应用在各个工业和民生领域，更高速的以太网技术也日趋成熟。空中客车公司根据航空电子系统的特殊使用环境和数据传输要求，在商用以太网技术基础上，用一些特殊协议在系统间网络环境中提供确定性和冗余管理，以保证了通信带宽和数据传输性能，由此形成了AFDX技术标准。波音公司也参与AFDX技术后期改进，并将该总线技术应用于B787飞机上。ARINC公司以此制订了ARINC664规范，目前ARINC664规范还在不断完善之中。 3 ARINC429/629/AFDX总线特点分析
3.1 ARINC429数字数据传输特性
ARINC429总线是一对多单向传输的数据总线，采用差分耦合的双绞屏蔽线。信息传输采用双极性归零制的三态码调制方式，即调制信号有高、零、低三电平状态。在双绞线的两条导线上，数据信号以差分电平的形式发送，三态线路的差分信号的逻辑关系有三种：
（1）当A-B的差分电压为7.25V～11V时，表示逻辑1；
（2）当A-B的差分电压为-0.5V～0.5V时，表示NULL；
（3）当A-B的差分电压为-11V～-7.25V时，表示逻辑0。
ARINC429 提供了两种通信速率：低速的 12.5Kbps 和高速的 100Kbps，低速速率用于一般用途的、非关键的场所，高速总线则用于传输数据量比较大或那些至关重要的飞行信息。
ARINC429的负载特性可使通信模块无缝的接入和离线，一个用户的耦合接入特性变化不会影响其他的用户接入。这个负载特性是对机务人员的工作帮助最大的特性，从ARINC429总线开始，以后的数据总线ARINC629总线、AFDX总线等与之类似，均确立了一个设备连接的标准，该标准规范了所有与之连接的机载设备的接口与通信规则，让机务维修人员在更换LRU时的操作简单易行，只需要考虑部件的件号是否相同就可以更换了。
3.2 ARINC429总线和ARINC629总线的数据编码
（a） （b）
图2.3-7 机载通信系统典型数据总线的数据编码
ARINC429总线采用双极归零码的数据编码，电信号波形如图2.3-7（a）所示，双极性归零码的特点：接收端根据接收波形脉冲的前沿判断为信号的起始，后沿判定为信号的终止，脉冲归于零电平时就可以判定为1个比特（bit）位信息已接收完毕，然后接收端准备下一比特位信息的接收。该编码的优势是发送端不必按一定周期发送信息，可以方便地实现串行异步数据传输，因此接收端可以自行保持正确的位同步，且各个比特位独立地构成起止方式，这种能够自行同步的编码也叫做自同步编码。由于这一优点，双极性归零码的应用十分广泛。
ARINC629总线采用曼彻斯特编码，该编码常用于局域网传输。曼彻斯特编码的定义为：逻辑“1”编码为1/0，即位周期的前一半为高电平，后一半为低电平；逻辑“0”编码为0/1，即位周期的前一半为低电平，后一半为高电平，电信号波形如图2.3-7（b）所示。曼彻斯特编码也是一种自同步编码，抗干扰能力强，可以实现较快的传输速率，由于没有零电平分量可以实现较远距离传输，但由于在信号中间时刻存在一次电平转换，需要占用较宽的频带。
3.3 AFDX网络的优势
我们可以看到，与传统的总线相比，AFDX由以下优势：
（1）采用全双工通信方式，使网络提供的服务是有保障的服务，主要表现在它的确定性和可靠性上。确定性主要表现在网络的最大传输延迟控制上，虚拟链路都有带宽分配间隔和最大的帧尺寸，传输过程中引起的抖动有一定的范围限制，是可控的。在这种机制保障下，信息帧可按一定的顺序、无碰撞地进行传输，帧端到端的延迟是可控的。
（2）AFDX的传输速率高达100 MHz/s，远远高于其他的类型的航空总线。
（3）AFDX网络的可靠性高：AFDX的双冗余备份网络可以在某一个网络出现故障时，仍能正常通讯。
（4）简化走线难度：以往的航空总线系统中所有的设备之间必须通过双绞线相连，才能正常通讯；而使用AFDX，每个端点不需要单独连接到内部平台，每个终端只要与交换机直接相连，而不管网络内部平台有多少个端点，这样就在很大程度上减少走线，因此也可以减轻飞机的重量。
（5）终端子系统数量不受限制，AFDX系统可连接的航空子系统的数量只跟交换机端口的数量有关，而交换机可以级联，可以很容易满足增加子系统的需求。
（6）AFDX直接采用“货架商品”，即已经实现商业用途的交换式以太网技术进行二次开发，在很大程度上缩短了开发周期，减低了成本。
相比以往的数据总线系统，AFDX系统可以提供更快、更稳定的传输带宽，改善数据传输的服务质量，减少航空计算机网络间的布线，从而减轻了飞机的重量；此外，基于AFDX的网络拓扑非常灵活，可以很容易对飞机的子系统进行更新和增加，这样就可以很方便对飞机进行升级和维护了。
4 ARINC429/629/AFDX总线对比分析
ARINC429总线可靠性高、质量稳定，但数据传输速度太低，只有100Kbps；ARINC629总线结构合理、性能稳定、速度较高，达到2Mbps，但需要安装大量专利设备，授权使用成本太高，飞机制造商难以承受；因此，为了降低成本，飞机制造商考虑充分利用成熟的商业货架硬件产品（COTS-Commercial Off The Shelf），以降低开发成本，缩短开发周期。三种典型民航飞机数据总线参数对比如表2.7-1所示。
表2.7-1 几种民航飞机典型数据总线参数对比
4 总结
本文总结分析了目前三种民航飞机典型数据总线：ARINC429总线、RINC629总线、满足ARINC664规范的全双工交换式以太网（AFDX）总线各自的特点及其存在问题，并阐述了各自的数字数据传输特点同时对各自的优缺点进行对比分析。
参考文献
[1] 马辰等.ACARS 通信安全分析. 科技展望.2014.17
[2] 吴志军.ACARS 地-空数据链中数字证书的应用研究.中国民航大学学报.2013.6
[3] 李金枝. 南航启用机务维修控制中心 为安全正点护航. 民航资源网.
[4] http：//news.carnoc.com/list/166/166400.html. 2010-07-29
[5] 丁一波，沈静，曹弘岚. ACARS 及其在空管系统中的应用. 现代电子工程，2005， 17（04）：41-43
[6] 任仁良、张铁纯. 涡轮发动机飞机结构与系统[M] . 兵器工业出版社. 北京 .2010
[7] 文洪. CARS 系统在飞机维修实践中的应用. 江苏航空.2005.1
[8] 尤海峰，刘煜：大型民用飞机IMA系统应用分析及发展建议[ J] .电讯技术，2013.1 .
作者简介：叶宝玉（1984—），女（漢族），广东河源人，广州民航职业技术学院，讲师，主要研究方向是现代自动化装备与控制技术，船舶运动控制。
关键词：ARINC429、ARINC629、AFDX总线、教学难点
1 引言
数据通信是现代计算机技术发展的产物，在计算机中，数据以二进制数字形式表示，这些二进制数字代表着文字、符号、数码、图像和声音等信息，如何在通信线路上正确地传输这种离散的二进制信号，就是数据通信要解决的基本问题。所以数據通信是数字通信技术系统所能传输的多种信息中的一种，是计算机设备之间通信所传输的信息。
在民航机载通信系统中，数据通信是相对于语音通信而言。以我们日常使用的智能手机为例，现代智能手机均采用数字通信方式工作，但如果双方是处于通话状态，以语音交流，则称为语音通信；如果通信双方是收发短信、微信等文字、图片信息，则称为数据通信。
2 民航飞机内部数据通信
民航飞机的机内语音通信功能由内话系统完成，而飞机内部数据通信则依靠“机载数据总线”来完成，机载数据总线是现代民航机载设备信息化、综合化的关键技术之一，直接影响着民航飞机的运行性能。不同机载设备中的计算机除了完成各自系统的处理功能外，相互之间还需要进行信息交换，即机载设备之间的数据通信，才能将不同的机载设备组合成一个有机整体。不同机载设备之间的数据通信是通过机载数据总线来完成的，机载数据总线已成为现代民航飞机的“中枢神经”。
2.1 ARINC 429数据总线
ARINC429总线是第一种广泛应用于民航飞机的数字式数据总线，是机载电子系统从模拟式向数字式转换的标志，具有划时代的意义。ARINC429 数据总线协议规范是美国航空电子工程委员会（AEEC-Airlines Engineering Committee）于 1977 年 7 月提出的，并于同年发表并获批准使用，由美国ARINC公司出版。ARINC429 规范将民航飞机上各个机载设备通过数据总线连接成一个整体，构成飞机内部的数据通信网络。
ARINC429总线采用单信息源、多接收器的单向数据传输，以半双工方式工作，常见的数据传输速率为12.5 kb/s和100kb/s，设备间通过双绞屏蔽电缆连接。由于是采用单向半双工的数据传输，与典型数据总线能沿着单组导线在多个端点之间提供全双工数据传输的概念不太相符，因此部分书籍将ARINC429称为数字信息传输系统，而不是“数据总线”，但根据其传输数字数据的用途，许多教材还是称其为“数据总线”。
数字数据在ARINC429总线上传输的基本单位是数据字，每一个数据字都是32位长。因为数据是单向传输，所以数据字是按开环方式传输的，即数据字从信息源发出后，不需要也无法获得接收器确认回复，如果需要某个接收器回复确认信息，需要从硬件上增加一条ARINC429数据总线从该接收器连接到信息源的发送器上。
2.2 ARINC629总线
ARINC629总线标准发布于1990年代中期，计划用于取代ARINC429标准，ARINC629总线对比ARINC429总线具有较大优势，在材料使用方面，B767飞机上的ARINC429总线需要约4860个接点，600扎导线，导线重量约1180公斤；而B777飞机上的ARIN629总线仅需要约1580个接点，400扎导线，约658公斤，可见ARINC629总线所需的导线数量少，接口数少，因此具有更高的工作可靠性和维护简易性。
ARINC629规范定义了一套完整的数字通信系统，它由多条数据总线和多个子系统模块组成，各子系统模块通过标准接口与数据总线连接。数据总线是双绞线或光缆，在总线上连接的每个子系统模块都是通过一个标准接口连接到数据总线上的，ARINC629总线的标准接口为电流模式总线接口。一个子系统由一个或多个外场可更换模块（LRM）组成，子系统之间传送和接收数据必须遵循同一个标准协议。ARIN629总线的连接示意图如图2.6-1所示。
ARINC629总线提供了比ARINC429总线快20倍的数据传输速率，达到2Mbps，采用总线型拓扑结构，即每个终端既可以发送又可以接收，通信方式为半双工方式，即在总线上同一时刻只能有一个终端的数据在传输。与ARINC429总线类似，不需要专门的总线控制器控制数据传输，数据传输时占用数据总线的规则由所有参与传输的终端（子系统）自主完成。子系统内部由多个板卡构成，每个板卡完成一个或多个机载电子设备的计算功能，即采用ARINC429总线结构中的一个LRU或多个LRU的计算功能整合到ARINC629总线结构的子系统中的一块板卡来完成，这样可以节约大量空间和重量，这是IMA系统的特点。
2.3 全双工交换式以太网（AFDX）
全双工交换式以太网（AFDX）是一种实时、确定的总线网络，具有带宽高、延迟低、可靠性高、扩展性好等特点，目前已经在空中客车公司的A380飞机和波音公司的B787飞机上得到成功应用，其中A380是首款完全采用AFDX总线网络的机型。
AFDX是空中客车公司为了解决民航飞机内部传统数据通讯网络布线复杂，线重过大，通讯速率慢而提出的一种在商用以太网基础上改进而成的新型航空通信网络，并成功应用于A380飞机上。商用以太网IEEE802.3技术成熟，资源丰富，市场化程度高，通讯速度快，10M/100M 已经广泛应用在各个工业和民生领域，更高速的以太网技术也日趋成熟。空中客车公司根据航空电子系统的特殊使用环境和数据传输要求，在商用以太网技术基础上，用一些特殊协议在系统间网络环境中提供确定性和冗余管理，以保证了通信带宽和数据传输性能，由此形成了AFDX技术标准。波音公司也参与AFDX技术后期改进，并将该总线技术应用于B787飞机上。ARINC公司以此制订了ARINC664规范，目前ARINC664规范还在不断完善之中。 3 ARINC429/629/AFDX总线特点分析
3.1 ARINC429数字数据传输特性
ARINC429总线是一对多单向传输的数据总线，采用差分耦合的双绞屏蔽线。信息传输采用双极性归零制的三态码调制方式，即调制信号有高、零、低三电平状态。在双绞线的两条导线上，数据信号以差分电平的形式发送，三态线路的差分信号的逻辑关系有三种：
（1）当A-B的差分电压为7.25V～11V时，表示逻辑1；
（2）当A-B的差分电压为-0.5V～0.5V时，表示NULL；
（3）当A-B的差分电压为-11V～-7.25V时，表示逻辑0。
ARINC429 提供了两种通信速率：低速的 12.5Kbps 和高速的 100Kbps，低速速率用于一般用途的、非关键的场所，高速总线则用于传输数据量比较大或那些至关重要的飞行信息。
ARINC429的负载特性可使通信模块无缝的接入和离线，一个用户的耦合接入特性变化不会影响其他的用户接入。这个负载特性是对机务人员的工作帮助最大的特性，从ARINC429总线开始，以后的数据总线ARINC629总线、AFDX总线等与之类似，均确立了一个设备连接的标准，该标准规范了所有与之连接的机载设备的接口与通信规则，让机务维修人员在更换LRU时的操作简单易行，只需要考虑部件的件号是否相同就可以更换了。
3.2 ARINC429总线和ARINC629总线的数据编码
（a） （b）
图2.3-7 机载通信系统典型数据总线的数据编码
ARINC429总线采用双极归零码的数据编码，电信号波形如图2.3-7（a）所示，双极性归零码的特点：接收端根据接收波形脉冲的前沿判断为信号的起始，后沿判定为信号的终止，脉冲归于零电平时就可以判定为1个比特（bit）位信息已接收完毕，然后接收端准备下一比特位信息的接收。该编码的优势是发送端不必按一定周期发送信息，可以方便地实现串行异步数据传输，因此接收端可以自行保持正确的位同步，且各个比特位独立地构成起止方式，这种能够自行同步的编码也叫做自同步编码。由于这一优点，双极性归零码的应用十分广泛。
ARINC629总线采用曼彻斯特编码，该编码常用于局域网传输。曼彻斯特编码的定义为：逻辑“1”编码为1/0，即位周期的前一半为高电平，后一半为低电平；逻辑“0”编码为0/1，即位周期的前一半为低电平，后一半为高电平，电信号波形如图2.3-7（b）所示。曼彻斯特编码也是一种自同步编码，抗干扰能力强，可以实现较快的传输速率，由于没有零电平分量可以实现较远距离传输，但由于在信号中间时刻存在一次电平转换，需要占用较宽的频带。
3.3 AFDX网络的优势
我们可以看到，与传统的总线相比，AFDX由以下优势：
（1）采用全双工通信方式，使网络提供的服务是有保障的服务，主要表现在它的确定性和可靠性上。确定性主要表现在网络的最大传输延迟控制上，虚拟链路都有带宽分配间隔和最大的帧尺寸，传输过程中引起的抖动有一定的范围限制，是可控的。在这种机制保障下，信息帧可按一定的顺序、无碰撞地进行传输，帧端到端的延迟是可控的。
（2）AFDX的传输速率高达100 MHz/s，远远高于其他的类型的航空总线。
（3）AFDX网络的可靠性高：AFDX的双冗余备份网络可以在某一个网络出现故障时，仍能正常通讯。
（4）简化走线难度：以往的航空总线系统中所有的设备之间必须通过双绞线相连，才能正常通讯；而使用AFDX，每个端点不需要单独连接到内部平台，每个终端只要与交换机直接相连，而不管网络内部平台有多少个端点，这样就在很大程度上减少走线，因此也可以减轻飞机的重量。
（5）终端子系统数量不受限制，AFDX系统可连接的航空子系统的数量只跟交换机端口的数量有关，而交换机可以级联，可以很容易满足增加子系统的需求。
（6）AFDX直接采用“货架商品”，即已经实现商业用途的交换式以太网技术进行二次开发，在很大程度上缩短了开发周期，减低了成本。
相比以往的数据总线系统，AFDX系统可以提供更快、更稳定的传输带宽，改善数据传输的服务质量，减少航空计算机网络间的布线，从而减轻了飞机的重量；此外，基于AFDX的网络拓扑非常灵活，可以很容易对飞机的子系统进行更新和增加，这样就可以很方便对飞机进行升级和维护了。
4 ARINC429/629/AFDX总线对比分析
ARINC429总线可靠性高、质量稳定，但数据传输速度太低，只有100Kbps；ARINC629总线结构合理、性能稳定、速度较高，达到2Mbps，但需要安装大量专利设备，授权使用成本太高，飞机制造商难以承受；因此，为了降低成本，飞机制造商考虑充分利用成熟的商业货架硬件产品（COTS-Commercial Off The Shelf），以降低开发成本，缩短开发周期。三种典型民航飞机数据总线参数对比如表2.7-1所示。
表2.7-1 几种民航飞机典型数据总线参数对比
4 总结
本文总结分析了目前三种民航飞机典型数据总线：ARINC429总线、RINC629总线、满足ARINC664规范的全双工交换式以太网（AFDX）总线各自的特点及其存在问题，并阐述了各自的数字数据传输特点同时对各自的优缺点进行对比分析。
参考文献
[1] 马辰等.ACARS 通信安全分析. 科技展望.2014.17
[2] 吴志军.ACARS 地-空数据链中数字证书的应用研究.中国民航大学学报.2013.6
[3] 李金枝. 南航启用机务维修控制中心 为安全正点护航. 民航资源网.
[4] http：//news.carnoc.com/list/166/166400.html. 2010-07-29
[5] 丁一波，沈静，曹弘岚. ACARS 及其在空管系统中的应用. 现代电子工程，2005， 17（04）：41-43
[6] 任仁良、张铁纯. 涡轮发动机飞机结构与系统[M] . 兵器工业出版社. 北京 .2010
[7] 文洪. CARS 系统在飞机维修实践中的应用. 江苏航空.2005.1
[8] 尤海峰，刘煜：大型民用飞机IMA系统应用分析及发展建议[ J] .电讯技术，2013.1 .
作者简介：叶宝玉（1984—），女（漢族），广东河源人，广州民航职业技术学院，讲师，主要研究方向是现代自动化装备与控制技术，船舶运动控制。