0 引言

    機載電子系統在近六十年的發展過程中，經歷了分立式、聯合式、綜合式和先進綜合式4個階段，信息綜合程度的不斷提高，對新型機載總線提出了更高的要求^[1]。1394總線是目前較先進的航空電子網絡技術之一，它具有傳輸實時性、可靠性和確定性等特點，可滿足當前航空電子系統對于機載總線的需求^[2]。

    1986年蘋果公司為了取代當時并不普遍的SCSI接口，研究出一種高速數據傳輸接口技術，稱之為FireWire（火線），即IEEE1394總線^[3]。圖1為1394總線的協議發展。

    1995年由IEEE(電氣與電子工程協會)正式制定1394總線標準，即IEEE Std 1394-1995，分別在2000和2002年針對總線控制性，仲裁和故障容錯等性能進行了改進、發布了IEEE1394a-2000和IEEE1394b-2002協議。

    2004年，SAE為了滿足機載網絡對于可靠性、實時性、容錯性并且保證帶寬等方面的高要求，在IEEE1394b協議的基礎上作了修改和裁剪，提出了SAE AS5643協議。該協議對IEEE-1394b規范進行裁剪和約束，通過數據傳輸、總線同步和容錯等關鍵技術實現了機載電子系統的功能要求，使得1394總線能夠在軍事和飛行器中的安全關鍵/任務關鍵系統中得到應用。

    出于政治、軍事、經濟等原因，國內無法獲取完整的1394總線技術資料，對AS5643協議標準研究不足，缺失協議實現方法的研究，沒有協議處理解決方案，導致缺乏可使用的總線相關產品。因此目前1394總線技術的應用多以民用技術為主，主要使用在民用領域和地面仿真系統。

1 技術分析

    1394總線在IEEE-1394總線協議的基礎上，采用靜態配置、帶寬分配和嚴格時間觸發通信調度機制等策略，去除原有總線通信的一些不確定因素，通過增加心跳、健康狀態字、縱向奇偶校驗等方法并結合IEEE-1394b協議特有的環檢測和環斷開機制提高整個總線的容錯能力，確保了總線通信的確定性和可靠性。

1.1 總線組成

    1394總線以節點為單位組成通信網絡，一個基本的1394總線系統由總線控制計算機(Control Computer，簡稱CC)節點、遠程節點(Remote Node，簡稱RN)、總線監控節點(Bus Monitor，簡稱BM)和1394連接器、線纜組成^[4]。圖2為1394總線的一種最小系統結構，能夠完成基本的網絡通信。

    節點CC節點作為1394總線的節點控制器，按周期發送幀起始（STOF）消息，通知總線上所有節點新的一幀開始，通過STOF消息完成同步總線。RN節點作為遠程終端，根據總線通道預分配，將不同的節點ID和通道號進行綁定。RN節點在收到STOF消息后，確認新的一幀開始，并按照預分配的時間偏移和帶寬，在自身節點時間偏移到來時發送數據。

    BM節點作為總線監控設備，作為葉子節點掛接在總線上，能夠監控總線上其他節點發出的網絡管理消息和普通數據消息。通過總線監控，能夠對總線網絡數據實現實時和事后數據分析，為機載電子設備的開發提供了更方便的手段。

    總線上各個節點之間通過1394線纜連接，1394總線線纜是一種物理通信媒介，是網絡信號傳輸的載體。1394線纜通過連接器與模塊進行連接，通過連接器實現不同子系統的中轉接口。當節點之間距離過長時，會導致傳輸信號衰減過大，由此需要通過1394總線中繼器來完成信號的增強。

1.2 拓撲結構

    總線的拓撲形式主要依據航空電子系統的安全性等級來確定，AS5643協議根據IEEE-1394b協議本身支持的拓撲結構并結合型號應用特點推薦了3種總線構型，分別為樹狀拓撲、環形拓撲和三余度環形拓撲^[5]。

    圖3展示了一種三余度拓撲結構，每條余度內包含兩條環形拓撲和一條樹形拓撲。

    在環形拓撲內，IEEE-1394b協議提供的環檢測和環斷開功能能夠自動檢測總線拓撲是否存在環路，若檢測到環路，則自動禁止某兩個端口間的連接，斷開環路形成樹狀拓撲。如果任意一個節點失效，那么總線將故障節點自動重構為新樹結構的末端，使其不影響其他節點間的通信，為系統提供第一級容錯能力。

    各個余度之間通過CCDL（交叉數據鏈路）進行消息表決，為機載重要安全系統提供了多層冗余容錯，提供了更高的安全性和可靠性。

1.3 通信機制

    1394總線通信基于固定幀速率和預分配帶寬實現節點消息的周期定時發送機制，采用STOF包進行總線同步，使用異步流包進行數據交互，同時通過對異步流包格式的進一步定義增加總線管理和故障監控功能。

    消息通信機制如圖4所示，1394總線通信原理如下：

    (1)總線初始化過程中，CC節點配置幀起始包(STOF)及發送周期，RN節點預先配置本節點使用的通道號和偏移時間；

    (2)總線節點初始化完成后，CC節點按照周期廣播發送STOF包到總線上，總線上其他 RN節點在收到STOF包后，表明新的一幀開始；

    (3)總線上各個節點獲取用戶寫入的數據，并通過添加ASM頭、健康狀態字、心跳和VPC校驗等內容組成異步流包來保證數據的正確性和完整性^[6]。

    (4)當時間偏移到來時，各節點將完整的異步流包按照預先的配置發往不同的通道；節點接收總線數據時，獲取符合本節點通道號的異步流包，并完成數據校驗，將校驗正確的異步流包提交上層應用并完成數據解析。

2 總線優點

    1394總線是在IEEE-1394b的基礎上建立的面向航空領域的總線標準，是對IEEE-1394b協議進行確定性、實時性和可靠性的約束，以保證IEEE-1394b總線能夠滿足航空、航天等高安全等級領域的應用需求。

    1394總線中由CC節點按照固定的幀周期廣播發送STOF包，通知所有節點新的一幀的開始，由此完成總線同步。所有RN節點在收到STOF包后按照預先分配的偏移時間，在時間窗口到來時發送數據，從而能夠提高總線的實時性。

    在1394總線中，每個節點的通道號都是由應用根據體系結構預先分配，在總線上各個節點本身具有唯一的標識且將節點號與通道號進行綁定。節點之間通信采用異步流消息，采用通道號尋址保證了總線通信過程中數據傳輸的確定性^[7]。

    總線采用的異步流包中，包含的縱向奇偶校驗提供了消息傳輸過程中數據完整性的額外保障，健康狀態字包含了節點的狀態信息，心跳字在新數據到來時依次遞增，確保數據更新。通過以上多重數據檢查，確保了數據傳輸的可靠性^[8]。

3 總線發展

    在當今電磁環境日益惡略、電子對抗更加激烈的情況下，提高機載電子系統的抗電磁干擾能力勢在必行。而解決這一問題的最根本辦法就是發展光傳系統，即應用光纖技術實現機載總線的信號傳輸。

    采用光纖作為1394總線信號傳輸介質，將電信號轉換為光信號進行數據的傳輸，能夠將總線數據傳輸速率提高到S3200。同時能夠有效防御電磁效應、電磁干擾，很大程度提高系統的安全性和可靠性。光纖自身的重量和體積遠遠小于電纜，極大地減小了傳輸線的重量和體積，節省了機內空間^[9]。因此采用光纖作為1394總線的傳輸介質，已經成為1394總線未來的發展方向。

4 結論

    1394總線作為應用于安全關鍵和任務關鍵領域的新型機載高速總線，主要向航電系統提供高安全、高可靠、強實時的數據通信服務^[10]。本文在1394總線發展的背景基礎上，通過分析總線網絡拓撲、總線通信及總線特性，介紹了1394總線的技術特點及發展應用。對后續1394總線網絡協議的研究，總線節點模塊設計、應用解決方案及1394總線網絡系統的設計提供參考。

參考文獻

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