0 引言

    ARINC659 底板總線是一種具有總線傳輸時間確定性的多節(jié)點串行數(shù)據(jù)總線,，支持魯棒的時間分區(qū)和空間分區(qū)，并以其特有的總線校驗機制,，很好地解決了航空電子系統(tǒng)對于底板總線的高可靠性要求問題^[1-3],。在目前的航空數(shù)據(jù)總線中，ARINC659底板總線能夠為底板間數(shù)據(jù)通信提供最高級別的可靠性,、完整性和余度等級^[3],。開展ARINC659底板總線協(xié)議分析和研究，對加速ARINC659底板總線系統(tǒng)在我國航空航天電子系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用,，提高航空航天電子系統(tǒng)的底板數(shù)據(jù)通信的可靠性具有非常重要的意義^[4-5],。本文首先對ARINC659底板總線體系結(jié)構(gòu)進行了介紹,，在此基礎(chǔ)上重點分析研究了ARINC659底板總線協(xié)議^[6-7],，總結(jié)了ARINC659底板總線的技術(shù)特點及局限,，并根據(jù)航空電子的發(fā)展趨勢，指出ARINC659總線的未來發(fā)展方向^[8-9],。

1 總線拓撲

    基于ARINC659底板總線的多個LRM所構(gòu)成的航空電子綜合化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示,，多個在線可更換模塊（LRM）間通過ARINC659底板總線進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)總線由總線對A和B組成雙-雙配置,，總線對A和B分別具有“x”和“y”兩條總線,。總線上每一個LRM包括兩個總線接口單元（BIUx和BIUy）,，BIUx經(jīng)由x總線發(fā)送數(shù)據(jù),，BIUy經(jīng)由y總線發(fā)送數(shù)據(jù)，每個BIU接收所有4條總線,。

2 總線協(xié)議分析

    ARINC659底板總線規(guī)范包括概述,、技術(shù)說明、物理層定義,、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,、附件、附錄等6方面內(nèi)容,，概述了ARINC659底板總線規(guī)范的基本體系和與其他標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系,，說明了ARINC659底板總線的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型,、出錯管理,、測試和維護等技術(shù)特點，定義了接口信號,、電氣性能,、物理隔離、連接器引腳分配等物理特性,，詳細規(guī)范了ARINC659底板總線的同步操作,、消息操作、接收數(shù)據(jù)選擇和BIU/主機接口基本調(diào)用,、調(diào)試等總線操作,。

    ARINC659總線主要面向要求高可靠性、高確定性,、強實時性的航空領(lǐng)域應(yīng)用,，其總線協(xié)議與傳統(tǒng)底板總線相比，具有以下突出特點：

    (1)物理層隔離和總線電平

    ARINC659總線的物理層協(xié)議通過定義一系列的物理隔離要求(包括BIU隔離,、供電隔離和布線隔離)保證信號的完整性,，來實現(xiàn)對總線物理故障的嚴(yán)格隔離。

    ARINC659在總線的傳輸電平選取了BTL電平標(biāo)準(zhǔn)，BTL電平輸出驅(qū)動擺幅降至1 V,，廣泛用于背板傳輸領(lǐng)域,。該電平支持獨立的總線地和基準(zhǔn)地，可滿足總線物理故障的隔離要求,。

    (2)總線編碼和拓撲結(jié)構(gòu)

    ARINC659采用4條雙－雙備份的串行總線傳輸數(shù)據(jù),，在同一時刻，4條總線傳輸相同的數(shù)據(jù),，但總線編碼方式不同,，這種總線編碼的優(yōu)點：①4條線的平均直流和交流功率對于所有數(shù)據(jù)模式都是常數(shù)，這減少了對數(shù)據(jù)模式敏感的故障發(fā)生的可能性,；②提供了輔助故障檢測,，這種編碼機制可以檢測總線開路、短路以及固定電平故障,；③B總線與A總線信號反向,，使信號具有差分驅(qū)動特性，其反向的差分特性提供了良好的EMC特性,。④通過將低頻轉(zhuǎn)變到高頻或是反過來可以檢測抖動差錯,。ARINC659總線編碼規(guī)則如表1所示。

    在接收方,，對解碼之后的數(shù)據(jù)按照不同總線對的組合進行比較,，根據(jù)其定義的總線數(shù)據(jù)有效表來判斷有效的數(shù)據(jù)。通過雙-雙余度的設(shè)置,，總線具有很強的容錯能力,，能夠鑒別并糾正一路總線錯誤和大部分兩路總線錯誤，通過對總線故障的分析,，對協(xié)議規(guī)定的可糾正故障可分類如表2所示,。

    (3)同步機制和表驅(qū)動機制

    通過命令表中預(yù)先定義的同步消息，BIU實現(xiàn)狀態(tài)的切換和保持,。為了實現(xiàn)不同BIU工作狀態(tài)間的同步,，ARINC659協(xié)議定義了初始化同步、短同步和長同步3種同步消息,，通過這3種同步消息來實現(xiàn)總線系統(tǒng)的位級同步和幀級同步,，從而實現(xiàn)同一個LRM模塊的不同BIU之間以及不同的LRM模塊之間的總線同步。通過表驅(qū)動協(xié)議,，保證數(shù)據(jù)傳輸時刻確定,，不會出現(xiàn)總線沖突，無總線訪問等待時延,。

    (4)實時熱備份機制

    ARINC659總線支持4余度實時熱備份,，通過在命令表中定義主模塊,、備份模塊1、備份模塊2,、備份模塊3,，當(dāng)主模塊出現(xiàn)故障并在規(guī)定時間（Δ時間）內(nèi)沒有完成總線傳輸時，可自動切換到備份1模塊進行傳輸,；同理，如果備份1,，備份2無法完成操作,，則切換到備份2模塊及備份3模塊。通過主-備傳輸機制,，進一步提高了總線的可靠性,。

    (5)幀切換機制

    通常的航空應(yīng)用通過協(xié)議提供的幀切換命令，可實現(xiàn)幀之間的控制和切換,。有兩種不同類型的幀：版本幀和非版本幀,。在版本幀中，底板總線上活動的所有BIU應(yīng)該具有相同的表版本號,。版本幀切換機制保證了所有處于同步狀態(tài)的BIU會根據(jù)接收到的幀切換消息中的版本信息位段與自己的表版本號作比較,，如果版本號不一致，它就會失去總線同步,。在非版本幀中,，表版本號被忽略，只要一個LRM中的BIU對能夠與底板同步,，它就能夠參與非版本幀,。幀組織示例如圖2所示。

    在所有的總線應(yīng)用中至少要有一個幀,。在初始化同步完成后,，總線上活動的模塊將會跳轉(zhuǎn)到一個非版本初始幀，此后這些模塊既可能永久停留在初始化幀,，也可能轉(zhuǎn)入另一個由底板上某個LRM預(yù)先定義的幀,。

3 協(xié)議的局限性

    由于ARINC659總線協(xié)議主要考慮到背板傳輸領(lǐng)域以及為系統(tǒng)提供高可靠性的安全傳輸，所以存在一定的局限性,。首先,，受到物理層電氣特性的限制，ARINC659總線底板的長度較短,，一般不超過120 cm,，只能用于機架內(nèi)模塊間通信，機架之間的通信要通過網(wǎng)關(guān)和其他總線來完成,，這對于航空電子系統(tǒng)中需要實現(xiàn)多個機架間冗余設(shè)計,，以及多個冗余機架之間的總線時間同步造成一定影響。其次為了實現(xiàn)總線雙-雙余度功能，總線接口要求雙－雙配置,，并且由于物理隔離的需要,，底板總線的供電、短接都需要獨立完成,，因此硬件成本較高,。

    隨著航空電子系統(tǒng)綜合化的發(fā)展，航電設(shè)備內(nèi)部模塊間的數(shù)據(jù)通信量也迅速增長,，根據(jù)協(xié)議ARINC659總線支持的最高速率為60 Mb/s,，在一些應(yīng)用場合已無法滿足系統(tǒng)的通信需求，為了進一步提高ARINC659總線通信速率,，需要對ARINC659總線高速通信機制以及物理層電平標(biāo)準(zhǔn)進行探索和研究,。ARINC659總線協(xié)議擁有良好的容錯性及錯誤檢測機制，在使用完整性表的情況下,，可保證數(shù)據(jù)的正確性,，當(dāng)使用可用性表時，有時無法區(qū)分總線錯誤,，但數(shù)據(jù)可以被正常提交,，此時可通過軟件在數(shù)據(jù)傳增加校驗位的方法，當(dāng)使用可用性表并且發(fā)現(xiàn)總線有雙位錯時,，采用軟件校驗機制對數(shù)據(jù)進行校驗,，對數(shù)據(jù)的正確性進行進一步的判斷。

4 總結(jié)

    ARINC 659總線是滿足高可靠性需求的雙-雙余度配置的串行容錯總線,，是構(gòu)建機架式綜合模塊化系統(tǒng)(IMA)的關(guān)鍵技術(shù)之一,。該總線在航空電子、空間飛行器電子,、工業(yè)安全關(guān)鍵控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求,。國外已在波音777 AIMS(飛機信息管理系統(tǒng))、波音737等民用飛機通用綜合航空電子系統(tǒng)成功應(yīng)用,。本文通過對總線協(xié)議的分析,，根據(jù)航空電子系統(tǒng)在近年來的發(fā)展趨勢，總結(jié)了其協(xié)議特點和局限,，并提出了未來發(fā)展方向,，有利于促進該總線在我國航空、航天領(lǐng)域推廣和應(yīng)用,。

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