短篇：航电计算机是什么？

昨天发布的《军武零距离》讲述了国内侦察部队的无人机的使用，结果引发了对于无人机、国产芯片的大讨论，表面上看似跑题，其实这触及到了一个信息战的基本硬件问题：当代军用电子设备。那么，我们嘴里常说的“飞机航空电子系统”（即航电）到底是一个什么样的东西呢？那么，今天本人就从一款广为所用的AB 1000可编程航空计算机来为大家讲解一下什么叫做“航电系统”的“中枢神经。

由于本人并不是航空专业，也请希望懂行的大佬及时指正文章的任何问题，谢谢。

AB 1000 航空计算机是一款被广泛使用的军民两用的航空计算机，可以装置在大量中小型飞机之上。该计算机相当小巧，结构4*6*1.7英寸，通过底座的接口固定在飞机机架之上。该计算机外置接口有USB2.0，10/100自适应网卡，820.11无线网卡，而下面的两个25针串口就是它的核心输出端子——ARINC  429和MIL-STD-1553。这个待会再聊。

在机箱内部，它的配置就比较简单。根据国内销售商北京石竹科技的资料，其配置如下：

• PowerPC处理器（IBM）

• 64 MB SDRAM

• 16 MB闪存

• 实时时钟（具有650多个小时的备份）

• CompactFlash插槽（具有断电保护）

• 用于时间标记事件的高分辨率计时器（1 µs）

• 嵌入式Linux操作系统

• 储存温度：-55至100摄氏度

• 工作温度：-40至70摄氏度

  
  

这种航电设备只适合较为简单的飞机控制系统，而如果想要采用目前流行的大屏机载航电的话，就需要配备专门集成GPU的型号了（大部分基于传统商业芯片改装）。那么，这样看似普通的计算机，是如何实现控制复杂的飞机的呢？这里，我们就要提到上面的两个重要的机载设备数据传输协议——ARINC  429和MIL-STD-1553。

MIL-STD-1553总线

在上世纪60年代，飞机座舱内的仪表和电子系统仍然是分离的结构设计，如一个无线电测高计系统通常是由一个发射接收天线（位于飞机下方），一个显示器（座舱内）和一个控制开关（在驾驶员手边）和一个电源系统构成，需要独立的控制系统和显示系统，飞行员要想使用就必须低头从密密麻麻的仪表中找到它，而且这些信号还不能整合到平视显示器上。为了解决系统繁琐的问题，美国在1968年决定将参考北美防空司令部的网络控制系统（后来成为TCP/IP协议的基础用于互联网）设计一种飞机各种设备共通数据的总线结构，并在1977年发布，就是我们中国人熟知的MIL-STD-1553总线系统，中国随着和平典范项目接触到了这一先进的控制系统，后来我国将其国产化，应用于所有的第三代战斗机、中华神盾和陆军信息系统之上，实现了我国信息技术设备和国际的接轨。

根据百度百科资料：

1553B总线是MIL－STD－1553总线的简称，其中B就是BUS，MIL-STD-1553总线是飞机内部时分制命令/响应式多路复用数据总线。1553B数据总线标准是20世纪70年代由美国公布的一种串行多路数据总线标准。1553B总线能挂31个远置终端，1553B总线采用指令/响应型通信协议，它有三种终端类型：总线控制器（BC）、远程终端（RT）和总线监视器（BM）；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；传输媒介为屏蔽双绞线，1553B总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合；1553B总线为多冗余度总线型拓扑结构，具有双向传输特性，其传输速度为1Mbps传输方式为半双工方式，采用曼彻斯特码进行编码传输。采用这种编码方式是因为适用于变压器耦合，由于直接耦合不利于终端故障隔离，会因为一个终端故障而造成整个总线网络的完全瘫痪，所以其协议中明确指出不推荐使用直接耦合方式。

553B总线系统主要由3部分组成：总线控制器BC；远程终端RT；数据总线Data Bus.

1553B总线的工作频率是1 Mb/s 。采用曼彻斯特II码，半双工工作方式。主要的硬件部分为总线控制器（BC）、远端终端（RT）和可选用的总线监控器（MT）。一般情况下，这3部分通过1个多路总线接口（MBI）来完成。可把MBI嵌在计算机内。该总线有10种消息格式。每个消息至少包含2个字，每个字有16个消息位，1个奇偶校验位和3个位长的同步头，所有的消息字都采用曼彻斯特II码构成。

1553B数据总线用的是指令/响应型通信协议。他有3种类型的终端，分别为：

(1)总线控制器（BC）

他是在总线上惟一被安排为执行建立和启动数据传输任务的终端。

(2)远程终端(RT)

他是用户子系统到数据总线上的接口，他在BC的控制下提取数据或吸收数据。

(3)总线监控器（MT）

他“监控”总线上的信息传输，以完成对总线上的数据源进行记录和分析，但他本身不参与总线的通信。

1553B总线是一种集中式的时分串行总线，其主要特点是分布处理、集中控制和实时响应。其可靠性机制包括防错功能、容错功能、错误的检测和定位、 错误的隔离、错误的校正、系统监控及系统恢复功能。采用双冗余系统，有两个传输通道，保证了良好的容错性和故障隔离。综合起来1553B总线有以下几个特点：

一是实时性好，1553B总线的数据传输率为1Mbps，每条消息最多包含32个字，传输一个固定不变的消息所需时间短。数据传输速率比一般的通讯网高。

二是合理的差错控制措施和特有的方式命令，为确保数据传输的完整性，1553B采用了合理的差错控制措施――反馈重传纠错方法。当BC向某一RT发出一个命令或发送一个消息时，终端应在给定的响应时间内发回一个状态字，如果传输的消息有错，终端就拒绝发回状态字，由此报告上次消息传输无效。而特有的方式命令不仅使系统能完成数据通讯控制任务，还能检查故障情况并完成容错管理功能。

三是总线效率高， 总线形式的拓扑结构对总线效率的要求比较高，为此1553B对涉及总线效率指标的某些强制性要求如命令响应时间、消息间隔时间以及每次消息传输的最大和最小数据块的长度都有严格限制。

四是具有命令/响应以及“广播”通讯方式，BC能够以“广播”方式向所有RT发送一个时间同步消息，这样总线上的所有消息传输都由总线控制器发出的指令来控制，相关终端对指令应给予响应并执行操作。这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统。但1553B 总线价格高昂，限制了它在工业领域的普遍性应用。

1553B总线消息传输机制

1553B总线上的信息是以消息(Message)的形式调制成曼彻斯特码进行传输的。每条消息最长由32个字组成，所有的字分为三类:命令字、数据字和状态字。每类字的长度为20位，有效信息位是16位，每个字的前3位为单字的同步字头，而最后1位是奇偶校验位。有效信息(16位)及奇偶校验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输，传输一位的时间为1 S(即码速率为1MHz)。同步字头占3位，先正后负为命令字和状态字，先负后正为数据字。

在这三种类型的字中，命令字位于每条消息的起始部分，其内容规定了该次传输的具体要求。状态字只能由RT发出，它的内容代表RT对BC发出的有效命令的反馈。BC可以根据状态字的内容来决定下一步采取什么样的操作。数据字既可以由BC传输到某RT，也可以从某RT传输至BC，或者从某RT传输到另一RT，它的内容代表传输的数据。

1553B总线上消息传输的过程是:总线控制器向某一终端发布一个接收/发送指令，终端在给定的响应时间范围内发回一个状态字并执行消息的接收/发送。BC通过验收RT回答的状态字来检验传输是否成功并做后续的操作。

消息是构成1553B总线通讯的基本单位，如果需要完成一定的功能，就要将多个消息组织起来，形成一个新的结构叫做帧(Frame)。完成一个消息的时间称为消息时间，两个消息之间的间隔称为消息间隔时间，完成一个帧的时间称为帧时间。在实际应用中这三种时间都是可以通过编程设置的。

1553B总线在武器通信中的应用

基于军事上的需要，现在武器上的电子设备不断增加，如何将电子设备加以有效的综合，从而使之达到资源和功能的综合已成为武器发展的必然要求。武器综合电子系统的基础就是采用数据总线结构，利用数据总线使处理机（包括硬件和软件）、信息传输以及控制显示3个分系统为各种任务所共用。这样就具有以下优点：减少武器设备体积和重量，提高武器系统可靠性，降低成本，提高检测精度等。现代武器对本身通信系统的要求一般有以下几点：

一是能有效实现各子系统之间的数据传输，且满足特定的通信特性;

二是通信子系统相对独立地工作，对应用软件尽可能透明，且占用主机的时间尽可能少。

三是通信系统灵活，易于修改。

四是通信子系统具有较强的抗干扰能力。

而1553B总线的优良性能恰好能满足上面几点要求，从而使其在现代武器系统中得到了越来越多的重视，已成为战车、舰船、飞机等武器平台上电子系统的主要工作支柱。

航空电子系统通常包括十多个机载计算机子系统，如何有效的实现各子系统之间的数据通信对整个航空系统的成败无疑起着关键性的作用。自1973年美国公布了军用标准MIL－STD－1553B总线后，它就迅速的被应用于空军，在F－16、F－18、B－1和AV－SB等多种飞机上得到应用。

目前世界上可以作为军用标准和专门的舰用战术数据总线有许多种，但使用的最多的还是当推美国的MIL－STD－1553B。1553B的传输介质有同轴电缆、屏蔽双绞线、光缆等，通过变压器藕合或直接藕合方式把终端藕合到总线上去。这种数据总线的传输速率、传输距离、远程终端数，能较好的满足各类中小型舰艇以及潜艇系统通信的要求，故应用十分普及。

目前，飞机机载设备（如空速计、测高仪、INS、GPS、飞行数据记录仪（黑匣子）、机内环境控制、机载显示器、雷达等等）基本上都采用了1553B总线。不过，在目前的民用飞机和机载武器方面，1553B总线并不如它同期诞生的兄弟ARINC 429使用广泛。

ARINC 429是目前常用于民航飞机和导弹系统的数据系统。比起1553B，ARINC 429最大的区别有：

第一，1553B是集中式通讯系统，数据从BC（bus control）端统一发送接收，采用半双工模式（即同一时间脉冲下仅有一次单向通讯），而429是单向通讯，只能从一端发送到另一端，如果想要采用双向数据，则必须用两个独立信道，实行一进一出；连接复杂度ARINC 429比1553B复杂，用线多，但是信息传输质量很好，不会发生因BC故障而产生数据失效；

第二，ARINC 429 设计中只能挂载20个子系统，而1553B可以挂载30个子系统。但由于ARINC429挂载设备较少，每个设备通讯质量（延迟和丢包）会好于1553B；

第三，ARINC 429速度较低，只有100kb，低于1553B的1Mb，比较适合控制较为简单，但绝不能出错的设备。

不过二者也有共同点：

第一，双方都是32位系统，每个字都是32位；

第二，双方接口可以通用，如AB1000用的两个接口都是RS-232 25针串口。当然，如果AB 1000连接的机载设备是需要双向传输的ARINC 429的话，那么它就需要两个接口同时连接，分别作为发送和接收端口。当然随着系统设备的变迁，两者还可以使用更多更为复杂的接口。

以下是百科资料：

ARINC429总线结构简单、性能稳定，抗干扰性强。最大的优势在于可靠性高，这是由于非集中控制、传输可靠、错误隔离性好。ARINC429特点如下:

1、传输方式

单向方式。信息只能从通信设备的发送口输出，经传输总线传至与它相连的需要该信息的其他设备的接口。但信息决不能倒流至已规定为发送信息的接口中。在两个通信设备间需要双向传输时，则每个方向上各用一个独立的传输总线。由于没有1553B总线的BC，信息分发的任务和风险不再集中。

2、驱动能力 每条总线上可以连接不超过20个的接收器。由于设备较少，信息传递有充裕的时间保证。

3、调制方式

采用双极型归零的三态码方式。

4、传输速率

分高低两档，高速工作状态的位速率为100Kb/s。系统低速工作状态的位速率应用在12Kb/s~14.5Kb/s范围内。选定内容后的位速率其误差范围应在1%之内。高速率和低速率不能在同一条传输总线上传输。

5、同步方式

传输的基本单位是字，每个字由32位组成。位同步信息是在双极归零码信号波形中携带着，字同步是以传输同期间至少4位的零电平时间间隔为基准，紧跟该字间隔后要发送的第一位的起点即为新字的起点。

按照ARING 429 总线规定，每个字格式(二进制或二-十进制)由32位组成:1-8位是标号位(LABEL)。它标记出包括在这个传送字内的信息的类型，也就是传送的代码的意义是什么。如传送的是VHF信息，则标号为八进制数030;若是DME数据，则标号为八进制数201等。

9-10位是源终端识别(SDI)。它指示信息的来源或信息的终端，例如一个控制盒的调谐字要送至3个甚高频收发机，就需要标示出信息的终端，即把调谐字输送至那个甚高频接收机。

11-28或29 位是数据组(Data Field)，根据字的类型可确定为是11到28还是11到29。它所代表的是所确定的特定数据。如标号为030，则11到29位为频率数据，使用的是BCD编码数据格式，即位11到29。

29到30或31位为符号状态矩阵位(SSM)，根据字的类型号为29或30到31。它指出数据的特性，如南，北，正，负等或它的状态。在甚高频内使用30到31位(BCD编码)。

32位为奇偶校验位(P)，它用于检查发送的数据是否有效。检查方法是当由1位到31位所出现的高电平的位数(即1的数)的总和为偶数时，则在第32位上为"1"。如果为奇数，则显示为"0"。

在发送每组数据后有四位零周期，它是隔离符号，以便于发送下一组数据。

ARINC429协议芯片国产化

基于对ARINC429规范和HB6096-SZ-01的消化理解，目前的科研院所和相关的单位在这方面作了大量的工作，设计出的协议芯片已经能够完全ARINC429规范。

通信控制

文件、数据传输采用命令、响应协议进行，其传输数据为二进制数据字和ISO5号字母表字符两种。文件的结构形式是一个文件由1个~127个记录组成，一个记录又由1个~126个数据字组成。

1、文件、数据传输协议

当发送器有数据要送往接收器时，发送器具通过传输总线发送"请求发送"初始字，接收器收到此初始字后，通过另一条总线以"清除发送"初始字作为应答，表示接收器准备好可以接收数据。发送器收到此应答，先发送第一个记录。

2、传输控制字

传输字包括初始字，中间字和结束字，文件传输用每个字的第30位、第31位表示字类型，文件传输数据为ISO5号字母和二进制数据字。文件传输的标号根据

文件的应用而定，包括管理计算机系统相互通信等，如需要有优先级操控能力，有必要给这些应用中的文件分配一个以上的标号。

所以因为带宽窄、精确度高的优势，民航飞机如737,767广泛使用ARINC 429总线，而中国引进的欧美空对空导弹（如怪蛇-霹雳8，阿斯派德-霹雳11）也广泛使用这种总线。因此，在飞机火控计算机为导弹发送信息时，需要通过专用的转换芯片，将机载设备的1553B格式命令转为ARINC 429控制指令。国内在网络上也能够找到相关转换板卡，用于地面对航空设备的测试工作。

随着时代的不断进步，如今通讯速度更高的820/11无线网卡，双绞线网卡和USB也被用于航空设备的数据传输，因此也根据这些系统开发出了多种转接口。而随着中国歼20的光纤传输系统的成熟，未来飞航计算机的传输模式会更加多样化。而对于采用模拟信号旧苏联导弹（如苏27带来的R-27导弹，以及采用乌克兰引入的R77导引头的霹雳12导弹），中国专家也通过设计模数转换芯片，将苏联导弹的控制信号转为目前飞航计算机能够处理的数字信号。值得一提的是，这种模数转换技术中国也是投入了很多心血的，早期的歼10基本型飞机由于只能使用1553B总线和ARINC 429总线（国内分别为GJB289a-97和HB6096-1986-SZ-01）的计算机通讯格式，无法兼容R-27导弹和采用R77导引头的霹雳12导弹，因此长期只能使用霹雳11导弹，在2009年阅兵式上歼10也是带着霹雳11受阅的；在此之后，中国改善了计算机的处理能力，使得歼10A，歼8F，歼11B得以完美匹配霹雳12导弹的信号格式，使得它成为中国主力的空对空导弹。不过，到了最先进的霹雳10和霹雳15导弹后，由于一开始设计就基于数字信号，也就无需使用模数转换系统了，只需要升级计算机的操作系统版本即可换装，可见总线协议的通用性价值是多么广阔。

结语

自从美国1978年推出机载设备的统一数据交换系统以来，国际上的航空电子系统从“独立”走向“融合”，没有统一的控制系统和数据交换系统，当今我们看到的“玻璃座舱”、“大屏显示”也无从谈起。但在这一切的系统背后，是坚实的集成电路工业的体现，无论是机载计算机的工作芯片（AB 1000采用IBM POWER PC，AB 3000采用英特尔®凌动™E680T处理器，国内苏30MKK战斗机采用INTEL 386DX芯片，后期中国三代机采用INTEL 486DX芯片，这两种INTEL芯片已经国产化成功），还是系统内大大小小的芯片（存储芯片、I/O接口芯片、模数转换芯片），还是各个外置系统的芯片设计（如Ihone手机和一些低成本飞机的内置微机电陀螺仪芯片、指北针芯片、北斗导航芯片、导弹控制芯片），都需要由集成电路工厂予以大批量，高质量的生产，而这一点我国还是整体比较薄弱的环节，由于国产光刻机技术和集成电路生产技术的受制于人，我国高性能计算机芯片产量仍然占有率较低，如可以作为1553B和429转换芯片的FGPA芯片，国产产品的市场占有率也只有全国2.3%的份额，就连军方很多系统仍然在采购国际商用芯片。因此，要想打赢信息化时代的战争，就必须要解决信息化基础设备的子系统量产能力，实现自我更新的良好生态。