0 引言

    隨著綜合化航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，資源共享程度越來(lái)越高，對(duì)系統(tǒng)的安全性、實(shí)時(shí)性也提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。背板總線是綜合化航空電子系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的共享資源，它不僅要具有高度的分布式處理能力和高吞吐率，還要具有各種抗干擾能力，以提高其在惡劣環(huán)境中的生存能力和安全性。ARINC659背板總線的高可靠性、高完整性等特點(diǎn)使其在航空計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)中更顯優(yōu)勢(shì)，是綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)^[1-2]。它已成為民用航空電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)背板總線，為眾多民用飛機(jī)提供了新型背板總線，在國(guó)外，ARINC659背板總線技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)ARINC659背板總線的研究剛剛起步。

    在先進(jìn)綜合的航空電子系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)可靠、有效、通用的數(shù)據(jù)傳輸是其關(guān)鍵技術(shù)之一，ARINC659背板總線在多節(jié)點(diǎn)串行通信總線傳輸時(shí)間上具有確定性，在時(shí)間和空間上滿足魯棒子性，其特有的總線通信機(jī)制為在線可更換模塊(LRM)之間的數(shù)據(jù)傳輸提供高可靠性保障^[3-4]。

    本文立足于ARINC659背板總線協(xié)議，對(duì)ARINC659背板總線體系架構(gòu)進(jìn)行了介紹，并闡述了ARINC659背板總線的通信機(jī)制，在此基礎(chǔ)上著重研究分析了ARINC659背板總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，為ARINC659背板總線在我國(guó)航空電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

1 ARINC659背板總線體系架構(gòu)

    ARINC659背板總線協(xié)議中定義了ISO/OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層模型，由多個(gè)在線可更換模塊(LRM)共同構(gòu)成了航空電子綜合化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，LRM之間基于ARINC659背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

    ARINC659背板總線是一個(gè)半雙工傳輸串行數(shù)據(jù)的線性多點(diǎn)通信總線，系統(tǒng)由多個(gè)LRM模塊構(gòu)成，處理器模塊與ARINC659總線節(jié)點(diǎn)共同組成LRM模塊，每個(gè)LRM模塊之間通過(guò)底板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖1所示為多個(gè)LRM模塊構(gòu)成的ARINC659背板總線體系架構(gòu)，其中每個(gè)LRM模塊功能包括主機(jī)接口功能、基本消息傳輸功能、主后備消息傳輸功能、總線數(shù)據(jù)容錯(cuò)功能。其中基本消息傳輸在設(shè)計(jì)中適用于選取一個(gè)模塊作為數(shù)據(jù)源，其他一個(gè)或多個(gè)作為目的源之間進(jìn)行通信；主后備消息設(shè)計(jì)中選用最多兩個(gè)備用數(shù)據(jù)源、一個(gè)目的源之間進(jìn)行通信。

    ARINC659背板總線的LRM模塊的ARINC659總線接口采用“雙－雙”余度配置的結(jié)構(gòu)，包括ARINC659總線接口單元(Bus Interface Unit，BIU)、表存儲(chǔ)器、模塊內(nèi)存儲(chǔ)器、ARINC659總線收發(fā)器等部分組成；每個(gè)LRM包含BIUx和BIUy兩個(gè)總線接口單元，每個(gè)總線接口單元由A、B總線對(duì)組成，BIUx由x(Ax、Bx)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，BIUy經(jīng)由y(Ay、By)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)BIU均接收來(lái)自4條總線的所有數(shù)據(jù)，且各總線分別有一條時(shí)鐘線和兩條數(shù)據(jù)線，因此完整的總線組由12條線組成，在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中每條總線每次可傳送2個(gè)數(shù)據(jù)位。

2 ARINC659背板總線通信機(jī)制分析

    ARINC659背板總線是支持多節(jié)點(diǎn)的串行通信總線，其通信是采用表驅(qū)動(dòng)均衡訪問(wèn)(TDPA)的機(jī)制，使用4條串行總線同時(shí)半雙工傳輸和交叉校驗(yàn)的通信方式。設(shè)計(jì)中需要首先設(shè)計(jì)主機(jī)控制BIU收發(fā)的操作命令，再用命令表配置工具生成對(duì)應(yīng)的命令表，通過(guò)編程線纜加載至外部存儲(chǔ)器，上電后BIU自動(dòng)加載命令表并按其預(yù)定的時(shí)間命令表進(jìn)行總線操作。ARINC659背板總線數(shù)據(jù)通信的這種機(jī)制具備一定的同步作用，另有全分辨總線時(shí)間寄存器輔助同步機(jī)制完成，該寄存器用于計(jì)數(shù)每一位總線時(shí)間。

    ARINC659背板總線數(shù)據(jù)通信功能包括：基本消息操作、主/后備消息操作；同步操作手段包括長(zhǎng)同步消息操作、短同步消息操作。

    ARINC659背板總線數(shù)據(jù)通信中基本消息用于點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸或單LRM模塊到多LRM模塊的數(shù)據(jù)傳輸，基本消息在窗口起初就開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，其模塊之間基本消息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主/后備消息用于單LRM模塊和其多個(gè)備用LRM模塊(最多3個(gè))到單LRM個(gè)或多LRM模塊的數(shù)據(jù)傳輸，主/后備消息在發(fā)送過(guò)程中采用一種簡(jiǎn)單的仲裁機(jī)制，LRM模塊在通信過(guò)程中具有優(yōu)先級(jí)順序，則只有當(dāng)主LRM以及其他優(yōu)先級(jí)高的后備LRM模塊在命令表中預(yù)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)操作時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的后備LRM才通過(guò)該窗口開(kāi)始向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且在整個(gè)過(guò)程中對(duì)于ARINC659背板總線消息窗口，只能有一個(gè)LRM通過(guò)該窗口發(fā)送數(shù)據(jù)。

    ARINC659背板總線數(shù)據(jù)通信中同步機(jī)制是表驅(qū)動(dòng)均衡訪問(wèn)(TDPA)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在系統(tǒng)初始化總線后，短同步用于修正BIU(總線接口單元)之間振蕩器漂移，維持總線上所有BIU的同步。長(zhǎng)同步是總線上失去同步的BIU再次與總線進(jìn)行同步，按照功能可劃分為初始化同步、切入同步、幀切換。初始化同步用于系統(tǒng)上電后或故障0后進(jìn)行初始化，使總線上失去同步狀態(tài)的BIU同步到初始幀的幀頭；切入同步使非同步的LRM模塊與當(dāng)前幀同步；幀切換則用于使命令表中不同幀之間進(jìn)行切換^[5-6]。

3 ARINC659背板總線設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

    ARINC659背板總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)由多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，第1節(jié)中介紹了ARINC659背板總線系統(tǒng)的體系架構(gòu)，本節(jié)首先對(duì)ARINC659總線的工作原理進(jìn)行了分析介紹，再重點(diǎn)對(duì)ARINC659總線節(jié)點(diǎn)和ARINC659背板的各關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)、電氣特性、接口信號(hào)、物理層規(guī)范對(duì)底板和總線接口的物理隔離等特性進(jìn)行了詳細(xì)分析說(shuō)明，以保證信號(hào)的可靠傳輸，確保ARINC659背板總線在遵循其協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上達(dá)到有效應(yīng)用^[6]。

3.1 ARINC659總線工作原理

    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要按照預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)收發(fā)操作命令用ARINC659總線配置工具生成對(duì)應(yīng)的命令表，通過(guò)配置總線將完整命令表的所有數(shù)據(jù)加載至系統(tǒng)各LRM模塊的外部PROM中。當(dāng)系統(tǒng)上電后，各LRM模塊的BIU自動(dòng)將外部PROM中的命令表搬到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，加載完命令表后，BIU開(kāi)始初始化，預(yù)譯碼命令開(kāi)始按照命令表的內(nèi)容執(zhí)行命令^[7]。

    ARINC659背板總線上各LRM模塊按照命令表預(yù)規(guī)定的命令進(jìn)行總線數(shù)據(jù)編碼、校驗(yàn)及傳輸。命令表按指令內(nèi)容將總線時(shí)間劃分為具有固定時(shí)間段的窗口，以滿足ARINC659背板總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綑C(jī)制。按照線協(xié)議規(guī)定，各LRM模塊的4條總線(Ax、Bx、Ay、By)按照不同的編碼方式進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸，其具體編碼規(guī)則如表1所示，完成編碼后將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后并按照如表2所示的ARINC659總線數(shù)據(jù)校驗(yàn)表的規(guī)則再進(jìn)行交叉校驗(yàn)，以避免來(lái)自相同BIU的總線數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效。

    在數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中，也需要對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自校驗(yàn)，即發(fā)送LRM可接收自身發(fā)送至總線上的數(shù)據(jù)按照交叉校驗(yàn)的方法進(jìn)行自檢測(cè)，如檢測(cè)到不可更正的錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送LRM立即保持沉默，此時(shí)次低優(yōu)先級(jí)的LRM將繼續(xù)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)；接收LRM同時(shí)接收來(lái)自4條總線上的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生的瞬時(shí)故障會(huì)立即被檢測(cè)出來(lái)，且單個(gè)錯(cuò)誤會(huì)立即被糾正，遇到不可糾正的錯(cuò)誤時(shí)，LRM模塊會(huì)立刻停止接收數(shù)據(jù)。ARINC659背板總線的這種校驗(yàn)機(jī)制使得總線數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中具有高可靠性和高容錯(cuò)性。

3.2 ARINC659總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

    ARINC659總線節(jié)點(diǎn)包括ARINC 659總線接口單元、時(shí)鐘控制單元、表存儲(chǔ)器、脈沖發(fā)送、接收模塊等部分，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)部分設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)要求。

3.2.1 時(shí)鐘設(shè)計(jì)要求

    ARINC659總線節(jié)點(diǎn)上每個(gè)BIU應(yīng)使用獨(dú)立的總線時(shí)鐘。總線時(shí)鐘頻率為30 MHz，總線介質(zhì)上的位傳輸率受每個(gè)BIU所驅(qū)動(dòng)的本地時(shí)鐘信號(hào)控制。系統(tǒng)集成者必須規(guī)定總線時(shí)鐘振蕩器的時(shí)鐘質(zhì)量和溫度穩(wěn)定性，即在一些溫度下的精確度以及此精確度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的變化范圍，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，時(shí)鐘質(zhì)量應(yīng)確保總的漂移不超過(guò)50 ppm。

3.2.2 表存儲(chǔ)器單元設(shè)計(jì)要求

    ARINC659總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用獨(dú)立通道實(shí)現(xiàn)表存儲(chǔ)器維護(hù)?？偩€節(jié)點(diǎn)上的每個(gè)BIU單元單獨(dú)使用1個(gè)表存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)架內(nèi)LRM模塊通信的ARINC659總線命令表，其兩個(gè)BIU的2個(gè)表存儲(chǔ)器可采用菊花鏈的方式進(jìn)行總線命令表固化。

3.2.3 協(xié)議處理器、收發(fā)器使能單元設(shè)計(jì)要求

    在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上必須包含的收發(fā)器使能信號(hào)應(yīng)由BIU交叉控制。BIUy(控制數(shù)據(jù)線Ay和By的總線接口單元)控制Ax、Bx總線收發(fā)器的傳輸使能；BIUx控制Ay、By總線收發(fā)器的傳輸使能，每條總線(Ax、Ay、Bx、By)必須使用獨(dú)立的收發(fā)器。不同BIU不能使用同一時(shí)鐘、表存儲(chǔ)器和任何影響總線時(shí)序的硬件。每個(gè)BIU必須有各自的時(shí)鐘、外部存儲(chǔ)器及其所有控制元件。

    按照物理層規(guī)范，2個(gè)BIU在物理和電氣上應(yīng)被最大程度分隔開(kāi)，它們之間的任何信號(hào)線都應(yīng)在電氣上隔離；BIU與收發(fā)器之間的任何信號(hào)線都應(yīng)在電氣上隔離；且每個(gè)收發(fā)器的帶隙參考引腳必須經(jīng)一個(gè)獨(dú)立的通道和除此之外沒(méi)有其他連接的連接器引腳連接到其所對(duì)應(yīng)的總線地平面；返回地的信號(hào)和帶隙線都必須以可能的最低阻抗通道從收發(fā)器連接到其總線的地平面。

3.3 ARINC659背板設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

    在ARINC659總線系統(tǒng)中，底板用于實(shí)現(xiàn)各LRM模塊通過(guò)ARINC659總線通訊。ARINC659總線收發(fā)器接口和信號(hào)線連接如圖3所示，包括雙自檢總線對(duì)和端接器，總線上每個(gè)模塊中的4個(gè)收發(fā)器分別連接到4條獨(dú)立的總線中的一條，且每條總線使用單獨(dú)的電源。

3.3.1 ARINC659總線背板電源要求

    ARINC659總線背板上端接器電源線的走線必須由一個(gè)介入其間的地平面隔開(kāi)。每條總線每一端都需要通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的阻值與總線負(fù)載阻抗±5%相等的端接電阻上拉到2.1 V±0.1 V。所有的總線線路的上拉都需要由獨(dú)立的電源提供電壓，從而限制了單一電源失效影響整個(gè)總線的可能性，如圖4所示為底板總線端接示意圖。

3.3.2 ARINC659總線背板地信號(hào)設(shè)計(jì)要求

    ARINC659總線設(shè)計(jì)中應(yīng)為每條總線設(shè)計(jì)單獨(dú)的地平面，在盡可能范圍內(nèi)，這些地平面承載僅與此總線有關(guān)的電流（即僅通過(guò)此總線的收發(fā)器和端接器的電流）。所有導(dǎo)致地平面內(nèi)的返回電流的信號(hào)線走線必須在保持總線阻抗的同時(shí)與地平面盡可能接近，且總線中任何一條信號(hào)線在0.304 8 cm以內(nèi)的傳輸導(dǎo)體只能是電源、地或BTL信號(hào)，這樣做是為了保證完整性和減小串?dāng)_，圖5所示為ARINC659底板總線地平面設(shè)計(jì)示意圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

    隨著技術(shù)的進(jìn)步，航空電子系統(tǒng)不斷朝著更高綜合化、更深模塊化的方向發(fā)展，其對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、容錯(cuò)性、完整性等性能有更高的要求，ARINC659背板總線是在具備通用背板總線協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)背板總線設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)分析研究，使其在采用雙-雙余度配置的低復(fù)雜度總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中具有較高容錯(cuò)性和傳輸時(shí)間確定性的特點(diǎn)，在不降低系統(tǒng)可靠性的前提下降低了系統(tǒng)體積、重量和功耗，可以滿足航空電子系統(tǒng)對(duì)于高可靠性、高故障容忍度、高容錯(cuò)性、系統(tǒng)小型化等要求，非常成功地實(shí)現(xiàn)了高度的功能綜合化^[8-9]。本文研究分析ARINC659背板數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)并得以實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)槠湓谖覈?guó)航空航天電子系統(tǒng)的應(yīng)用提供必要的技術(shù)保障，對(duì)于提高我國(guó)航空航天電子系統(tǒng)的可靠性具有重要意義，使ARINC659總線在新型航空電子、下一代空間飛行器、工業(yè)控制等領(lǐng)域的安全關(guān)鍵系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景^[3，6-8]。

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