昨天發(fā)布的《軍武零距離》講述了國內偵察部隊的無人機的使用，結果引發(fā)了對于無人機、國產芯片的大討論，表面上看似跑題，其實這觸及到了一個信息戰(zhàn)的基本硬件問題：當代軍用電子設備。那么，我們嘴里常說的“飛機航空電子系統(tǒng)”（即航電）到底是一個什么樣的東西呢？那么，今天本人就從一款廣為所用的AB 1000可編程航空計算機來為大家講解一下什么叫做“航電系統(tǒng)”的“中樞神經。

由于本人并不是航空專業(yè)，也請希望懂行的大佬及時指正文章的任何問題，謝謝。

AB 1000 航空計算機是一款被廣泛使用的軍民兩用的航空計算機，可以裝置在大量中小型飛機之上。該計算機相當小巧，結構4*6*1.7英寸，通過底座的接口固定在飛機機架之上。該計算機外置接口有USB2.0，10/100自適應網卡，820.11無線網卡，而下面的兩個25針串口就是它的核心輸出端子——ARINC??429和MIL-STD-1553。這個待會再聊。

在機箱內部，它的配置就比較簡單。根據國內銷售商北京石竹科技的資料，其配置如下：

• PowerPC處理器（IBM）

• 64 MB SDRAM

• 16 MB閃存

• 實時時鐘（具有650多個小時的備份）

• CompactFlash插槽（具有斷電保護）

• 用于時間標記事件的高分辨率計時器（1 μs）

• 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

• 儲存溫度：-55至100攝氏度

• 工作溫度：-40至70攝氏度

  
  

這種航電設備只適合較為簡單的飛機控制系統(tǒng)，而如果想要采用目前流行的大屏機載航電的話，就需要配備專門集成GPU的型號了（大部分基于傳統(tǒng)商業(yè)芯片改裝）。那么，這樣看似普通的計算機，是如何實現控制復雜的飛機的呢？這里，我們就要提到上面的兩個重要的機載設備數據傳輸協(xié)議——ARINC??429和MIL-STD-1553。

MIL-STD-1553總線

在上世紀60年代，飛機座艙內的儀表和電子系統(tǒng)仍然是分離的結構設計，如一個無線電測高計系統(tǒng)通常是由一個發(fā)射接收天線（位于飛機下方），一個顯示器（座艙內）和一個控制開關（在駕駛員手邊）和一個電源系統(tǒng)構成，需要獨立的控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，飛行員要想使用就必須低頭從密密麻麻的儀表中找到它，而且這些信號還不能整合到平視顯示器上。為了解決系統(tǒng)繁瑣的問題，美國在1968年決定將參考北美防空司令部的網絡控制系統(tǒng)（后來成為TCP/IP協(xié)議的基礎用于互聯網）設計一種飛機各種設備共通數據的總線結構，并在1977年發(fā)布，就是我們中國人熟知的MIL-STD-1553總線系統(tǒng)，中國隨著和平典范項目接觸到了這一先進的控制系統(tǒng)，后來我國將其國產化，應用于所有的第三代戰(zhàn)斗機、中華神盾和陸軍信息系統(tǒng)之上，實現了我國信息技術設備和國際的接軌。

根據百度百科資料：

1553B總線是MIL－STD－1553總線的簡稱，其中B就是BUS，MIL-STD-1553總線是飛機內部時分制命令/響應式多路復用數據總線。1553B數據總線標準是20世紀70年代由美國公布的一種串行多路數據總線標準。1553B總線能掛31個遠置終端，1553B總線采用指令/響應型通信協(xié)議，它有三種終端類型：總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM）；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、廣播方式和系統(tǒng)控制方式；傳輸媒介為屏蔽雙絞線，1553B總線耦合方式有直接耦合和變壓器耦合；1553B總線為多冗余度總線型拓撲結構，具有雙向傳輸特性，其傳輸速度為1Mbps傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特碼進行編碼傳輸。采用這種編碼方式是因為適用于變壓器耦合，由于直接耦合不利于終端故障隔離，會因為一個終端故障而造成整個總線網絡的完全癱瘓，所以其協(xié)議中明確指出不推薦使用直接耦合方式。

553B總線系統(tǒng)主要由3部分組成：總線控制器BC；遠程終端RT；數據總線Data Bus.

1553B總線的工作頻率是1 Mb/s 。采用曼徹斯特II碼，半雙工工作方式。主要的硬件部分為總線控制器（BC）、遠端終端（RT）和可選用的總線監(jiān)控器（MT）。一般情況下，這3部分通過1個多路總線接口（MBI）來完成?？砂袽BI嵌在計算機內。該總線有10種消息格式。每個消息至少包含2個字，每個字有16個消息位，1個奇偶校驗位和3個位長的同步頭，所有的消息字都采用曼徹斯特II碼構成。

1553B數據總線用的是指令/響應型通信協(xié)議。他有3種類型的終端，分別為：

(1)總線控制器（BC）

他是在總線上惟一被安排為執(zhí)行建立和啟動數據傳輸任務的終端。

(2)遠程終端(RT)

他是用戶子系統(tǒng)到數據總線上的接口，他在BC的控制下提取數據或吸收數據。

(3)總線監(jiān)控器（MT）

他“監(jiān)控”總線上的信息傳輸，以完成對總線上的數據源進行記錄和分析，但他本身不參與總線的通信。

1553B總線是一種集中式的時分串行總線，其主要特點是分布處理、集中控制和實時響應。其可靠性機制包括防錯功能、容錯功能、錯誤的檢測和定位、 錯誤的隔離、錯誤的校正、系統(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)恢復功能。采用雙冗余系統(tǒng)，有兩個傳輸通道，保證了良好的容錯性和故障隔離。綜合起來1553B總線有以下幾個特點：

一是實時性好，1553B總線的數據傳輸率為1Mbps，每條消息最多包含32個字，傳輸一個固定不變的消息所需時間短。數據傳輸速率比一般的通訊網高。

二是合理的差錯控制措施和特有的方式命令，為確保數據傳輸的完整性，1553B采用了合理的差錯控制措施――反饋重傳糾錯方法。當BC向某一RT發(fā)出一個命令或發(fā)送一個消息時，終端應在給定的響應時間內發(fā)回一個狀態(tài)字，如果傳輸的消息有錯，終端就拒絕發(fā)回狀態(tài)字，由此報告上次消息傳輸無效。而特有的方式命令不僅使系統(tǒng)能完成數據通訊控制任務，還能檢查故障情況并完成容錯管理功能。

三是總線效率高， 總線形式的拓撲結構對總線效率的要求比較高，為此1553B對涉及總線效率指標的某些強制性要求如命令響應時間、消息間隔時間以及每次消息傳輸的最大和最小數據塊的長度都有嚴格限制。

四是具有命令/響應以及“廣播”通訊方式，BC能夠以“廣播”方式向所有RT發(fā)送一個時間同步消息，這樣總線上的所有消息傳輸都由總線控制器發(fā)出的指令來控制，相關終端對指令應給予響應并執(zhí)行操作。這種方式非常適合集中控制的分布式處理系統(tǒng)。但1553B 總線價格高昂，限制了它在工業(yè)領域的普遍性應用。

1553B總線消息傳輸機制

1553B總線上的信息是以消息(Message)的形式調制成曼徹斯特碼進行傳輸的。每條消息最長由32個字組成，所有的字分為三類:命令字、數據字和狀態(tài)字。每類字的長度為20位，有效信息位是16位，每個字的前3位為單字的同步字頭，而最后1位是奇偶校驗位。有效信息(16位)及奇偶校驗位在總線上以曼徹斯特碼的形式進行傳輸，傳輸一位的時間為1 S(即碼速率為1MHz)。同步字頭占3位，先正后負為命令字和狀態(tài)字，先負后正為數據字。

在這三種類型的字中，命令字位于每條消息的起始部分，其內容規(guī)定了該次傳輸的具體要求。狀態(tài)字只能由RT發(fā)出，它的內容代表RT對BC發(fā)出的有效命令的反饋。BC可以根據狀態(tài)字的內容來決定下一步采取什么樣的操作。數據字既可以由BC傳輸到某RT，也可以從某RT傳輸至BC，或者從某RT傳輸到另一RT，它的內容代表傳輸的數據。

1553B總線上消息傳輸的過程是:總線控制器向某一終端發(fā)布一個接收/發(fā)送指令，終端在給定的響應時間范圍內發(fā)回一個狀態(tài)字并執(zhí)行消息的接收/發(fā)送。BC通過驗收RT回答的狀態(tài)字來檢驗傳輸是否成功并做后續(xù)的操作。

消息是構成1553B總線通訊的基本單位，如果需要完成一定的功能，就要將多個消息組織起來，形成一個新的結構叫做幀(Frame)。完成一個消息的時間稱為消息時間，兩個消息之間的間隔稱為消息間隔時間，完成一個幀的時間稱為幀時間。在實際應用中這三種時間都是可以通過編程設置的。

1553B總線在武器通信中的應用

基于軍事上的需要，現在武器上的電子設備不斷增加，如何將電子設備加以有效的綜合，從而使之達到資源和功能的綜合已成為武器發(fā)展的必然要求。武器綜合電子系統(tǒng)的基礎就是采用數據總線結構，利用數據總線使處理機（包括硬件和軟件）、信息傳輸以及控制顯示3個分系統(tǒng)為各種任務所共用。這樣就具有以下優(yōu)點：減少武器設備體積和重量，提高武器系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高檢測精度等?，F代武器對本身通信系統(tǒng)的要求一般有以下幾點：

一是能有效實現各子系統(tǒng)之間的數據傳輸，且滿足特定的通信特性;

二是通信子系統(tǒng)相對獨立地工作，對應用軟件盡可能透明，且占用主機的時間盡可能少。

三是通信系統(tǒng)靈活，易于修改。

四是通信子系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

而1553B總線的優(yōu)良性能恰好能滿足上面幾點要求，從而使其在現代武器系統(tǒng)中得到了越來越多的重視，已成為戰(zhàn)車、艦船、飛機等武器平臺上電子系統(tǒng)的主要工作支柱。

航空電子系統(tǒng)通常包括十多個機載計算機子系統(tǒng)，如何有效的實現各子系統(tǒng)之間的數據通信對整個航空系統(tǒng)的成敗無疑起著關鍵性的作用。自1973年美國公布了軍用標準MIL－STD－1553B總線后，它就迅速的被應用于空軍，在F－16、F－18、B－1和AV－SB等多種飛機上得到應用。

目前世界上可以作為軍用標準和專門的艦用戰(zhàn)術數據總線有許多種，但使用的最多的還是當推美國的MIL－STD－1553B。1553B的傳輸介質有同軸電纜、屏蔽雙絞線、光纜等，通過變壓器藕合或直接藕合方式把終端藕合到總線上去。這種數據總線的傳輸速率、傳輸距離、遠程終端數，能較好的滿足各類中小型艦艇以及潛艇系統(tǒng)通信的要求，故應用十分普及。

目前，飛機機載設備（如空速計、測高儀、INS、GPS、飛行數據記錄儀（黑匣子）、機內環(huán)境控制、機載顯示器、雷達等等）基本上都采用了1553B總線。不過，在目前的民用飛機和機載武器方面，1553B總線并不如它同期誕生的兄弟ARINC 429使用廣泛。

ARINC 429是目前常用于民航飛機和導彈系統(tǒng)的數據系統(tǒng)。比起1553B，ARINC 429最大的區(qū)別有：

第一，1553B是集中式通訊系統(tǒng)，數據從BC（bus control）端統(tǒng)一發(fā)送接收，采用半雙工模式（即同一時間脈沖下僅有一次單向通訊），而429是單向通訊，只能從一端發(fā)送到另一端，如果想要采用雙向數據，則必須用兩個獨立信道，實行一進一出；連接復雜度ARINC 429比1553B復雜，用線多，但是信息傳輸質量很好，不會發(fā)生因BC故障而產生數據失效；

第二，ARINC 429 設計中只能掛載20個子系統(tǒng)，而1553B可以掛載30個子系統(tǒng)。但由于ARINC429掛載設備較少，每個設備通訊質量（延遲和丟包）會好于1553B；

第三，ARINC 429速度較低，只有100kb，低于1553B的1Mb，比較適合控制較為簡單，但絕不能出錯的設備。

不過二者也有共同點：

第一，雙方都是32位系統(tǒng)，每個字都是32位；

第二，雙方接口可以通用，如AB1000用的兩個接口都是RS-232 25針串口。當然，如果AB 1000連接的機載設備是需要雙向傳輸的ARINC 429的話，那么它就需要兩個接口同時連接，分別作為發(fā)送和接收端口。當然隨著系統(tǒng)設備的變遷，兩者還可以使用更多更為復雜的接口。

以下是百科資料：

ARINC429總線結構簡單、性能穩(wěn)定，抗干擾性強。最大的優(yōu)勢在于可靠性高，這是由于非集中控制、傳輸可靠、錯誤隔離性好。ARINC429特點如下:

1、傳輸方式

單向方式。信息只能從通信設備的發(fā)送口輸出，經傳輸總線傳至與它相連的需要該信息的其他設備的接口。但信息決不能倒流至已規(guī)定為發(fā)送信息的接口中。在兩個通信設備間需要雙向傳輸時，則每個方向上各用一個獨立的傳輸總線。由于沒有1553B總線的BC，信息分發(fā)的任務和風險不再集中。

2、驅動能力?每條總線上可以連接不超過20個的接收器。由于設備較少，信息傳遞有充裕的時間保證。

3、調制方式

采用雙極型歸零的三態(tài)碼方式。

4、傳輸速率

分高低兩檔，高速工作狀態(tài)的位速率為100Kb/s。系統(tǒng)低速工作狀態(tài)的位速率應用在12Kb/s~14.5Kb/s范圍內。選定內容后的位速率其誤差范圍應在1%之內。高速率和低速率不能在同一條傳輸總線上傳輸。

5、同步方式

傳輸的基本單位是字，每個字由32位組成。位同步信息是在雙極歸零碼信號波形中攜帶著，字同步是以傳輸同期間至少4位的零電平時間間隔為基準，緊跟該字間隔后要發(fā)送的第一位的起點即為新字的起點。

按照ARING 429 總線規(guī)定，每個字格式(二進制或二-十進制)由32位組成:1-8位是標號位(LABEL)。它標記出包括在這個傳送字內的信息的類型，也就是傳送的代碼的意義是什么。如傳送的是VHF信息，則標號為八進制數030;若是DME數據，則標號為八進制數201等。

9-10位是源終端識別(SDI)。它指示信息的來源或信息的終端，例如一個控制盒的調諧字要送至3個甚高頻收發(fā)機，就需要標示出信息的終端，即把調諧字輸送至那個甚高頻接收機。

11-28或29 位是數據組(Data Field)，根據字的類型可確定為是11到28還是11到29。它所代表的是所確定的特定數據。如標號為030，則11到29位為頻率數據，使用的是BCD編碼數據格式，即位11到29。

29到30或31位為符號狀態(tài)矩陣位(SSM)，根據字的類型號為29或30到31。它指出數據的特性，如南，北，正，負等或它的狀態(tài)。在甚高頻內使用30到31位(BCD編碼)。

32位為奇偶校驗位(P)，它用于檢查發(fā)送的數據是否有效。檢查方法是當由1位到31位所出現的高電平的位數(即1的數)的總和為偶數時，則在第32位上為"1"。如果為奇數，則顯示為"0"。

在發(fā)送每組數據后有四位零周期，它是隔離符號，以便于發(fā)送下一組數據。

ARINC429協(xié)議芯片國產化

基于對ARINC429規(guī)范和HB6096-SZ-01的消化理解，目前的科研院所和相關的單位在這方面作了大量的工作，設計出的協(xié)議芯片已經能夠完全ARINC429規(guī)范。

通信控制

文件、數據傳輸采用命令、響應協(xié)議進行，其傳輸數據為二進制數據字和ISO5號字母表字符兩種。文件的結構形式是一個文件由1個~127個記錄組成，一個記錄又由1個~126個數據字組成。

1、文件、數據傳輸協(xié)議

當發(fā)送器有數據要送往接收器時，發(fā)送器具通過傳輸總線發(fā)送"請求發(fā)送"初始字，接收器收到此初始字后，通過另一條總線以"清除發(fā)送"初始字作為應答，表示接收器準備好可以接收數據。發(fā)送器收到此應答，先發(fā)送第一個記錄。

2、傳輸控制字

傳輸字包括初始字，中間字和結束字，文件傳輸用每個字的第30位、第31位表示字類型，文件傳輸數據為ISO5號字母和二進制數據字。文件傳輸的標號根據

文件的應用而定，包括管理計算機系統(tǒng)相互通信等，如需要有優(yōu)先級操控能力，有必要給這些應用中的文件分配一個以上的標號。

所以因為帶寬窄、精確度高的優(yōu)勢，民航飛機如737,767廣泛使用ARINC 429總線，而中國引進的歐美空對空導彈（如怪蛇-霹靂8，阿斯派德-霹靂11）也廣泛使用這種總線。因此，在飛機火控計算機為導彈發(fā)送信息時，需要通過專用的轉換芯片，將機載設備的1553B格式命令轉為ARINC 429控制指令。國內在網絡上也能夠找到相關轉換板卡，用于地面對航空設備的測試工作。

隨著時代的不斷進步，如今通訊速度更高的820/11無線網卡，雙絞線網卡和USB也被用于航空設備的數據傳輸，因此也根據這些系統(tǒng)開發(fā)出了多種轉接口。而隨著中國殲20的光纖傳輸系統(tǒng)的成熟，未來飛航計算機的傳輸模式會更加多樣化。而對于采用模擬信號舊蘇聯導彈（如蘇27帶來的R-27導彈，以及采用烏克蘭引入的R77導引頭的霹靂12導彈），中國專家也通過設計模數轉換芯片，將蘇聯導彈的控制信號轉為目前飛航計算機能夠處理的數字信號。值得一提的是，這種模數轉換技術中國也是投入了很多心血的，早期的殲10基本型飛機由于只能使用1553B總線和ARINC 429總線（國內分別為GJB289a-97和HB6096-1986-SZ-01）的計算機通訊格式，無法兼容R-27導彈和采用R77導引頭的霹靂12導彈，因此長期只能使用霹靂11導彈，在2009年閱兵式上殲10也是帶著霹靂11受閱的；在此之后，中國改善了計算機的處理能力，使得殲10A，殲8F，殲11B得以完美匹配霹靂12導彈的信號格式，使得它成為中國主力的空對空導彈。不過，到了最先進的霹靂10和霹靂15導彈后，由于一開始設計就基于數字信號，也就無需使用模數轉換系統(tǒng)了，只需要升級計算機的操作系統(tǒng)版本即可換裝，可見總線協(xié)議的通用性價值是多么廣闊。

結語

自從美國1978年推出機載設備的統(tǒng)一數據交換系統(tǒng)以來，國際上的航空電子系統(tǒng)從“獨立”走向“融合”，沒有統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和數據交換系統(tǒng)，當今我們看到的“玻璃座艙”、“大屏顯示”也無從談起。但在這一切的系統(tǒng)背后，是堅實的集成電路工業(yè)的體現，無論是機載計算機的工作芯片（AB 1000采用IBM POWER PC，AB 3000采用英特爾?凌動?E680T處理器，國內蘇30MKK戰(zhàn)斗機采用INTEL 386DX芯片，后期中國三代機采用INTEL 486DX芯片，這兩種INTEL芯片已經國產化成功），還是系統(tǒng)內大大小小的芯片（存儲芯片、I/O接口芯片、模數轉換芯片），還是各個外置系統(tǒng)的芯片設計（如Ihone手機和一些低成本飛機的內置微機電陀螺儀芯片、指北針芯片、北斗導航芯片、導彈控制芯片），都需要由集成電路工廠予以大批量，高質量的生產，而這一點我國還是整體比較薄弱的環(huán)節(jié)，由于國產光刻機技術和集成電路生產技術的受制于人，我國高性能計算機芯片產量仍然占有率較低，如可以作為1553B和429轉換芯片的FGPA芯片，國產產品的市場占有率也只有全國2.3%的份額，就連軍方很多系統(tǒng)仍然在采購國際商用芯片。因此，要想打贏信息化時代的戰(zhàn)爭，就必須要解決信息化基礎設備的子系統(tǒng)量產能力，實現自我更新的良好生態(tài)。