ARINC659總線協(xié)議分析及研究*

郭　亮，劉宇峰，趙　川，史嘉濤

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.北京青云航空儀表有限公司，北京100086；4.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

ARINC659總線協(xié)議分析及研究*

郭亮1，2，劉宇峰3，趙川4，史嘉濤4

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.北京青云航空儀表有限公司，北京100086；4.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)載設(shè)備間數(shù)據(jù)總線的帶寬、實(shí)時(shí)性要求更高，目前傳統(tǒng)的底板總線(PCI、VME和CPCI等)已不能滿足新一代航空電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的要求。為此，在現(xiàn)有工業(yè)底板總線的基礎(chǔ)上定義了高可靠性、高故障容忍度以及高完整性的新型底板總線——ARINC659底板總線。針對(duì)ARINC659底板總線在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了ARINC659底板總線協(xié)議的特點(diǎn)和局限，提出了未來(lái)的發(fā)展和改進(jìn)方向，對(duì)于ARINC659總線的發(fā)展以及航空電子系統(tǒng)背板總線的選用具有指導(dǎo)意義。

ARINC659底板總線協(xié)議；協(xié)議分析；協(xié)議特點(diǎn)

0　引言

ARINC659底板總線是一種具有總線傳輸時(shí)間確定性的多節(jié)點(diǎn)串行數(shù)據(jù)總線，支持魯棒的時(shí)間分區(qū)和空間分區(qū)，并以其特有的總線校驗(yàn)機(jī)制，很好地解決了航空電子系統(tǒng)對(duì)于底板總線的高可靠性要求問(wèn)題[1-3]。在目前的航空數(shù)據(jù)總線中，ARINC659底板總線能夠?yàn)榈装彘g數(shù)據(jù)通信提供最高級(jí)別的可靠性、完整性和余度等級(jí)[3]。開展ARINC659底板總線協(xié)議分析和研究，對(duì)加速ARINC659底板總線系統(tǒng)在我國(guó)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(duì) ARINC659底板總線體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)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(diǎn)及局限，并根據(jù)航空電子的發(fā)展趨勢(shì)，指出ARINC659總線的未來(lái)發(fā)展方向[8-9]。

1　總線拓?fù)?/h2>

基于ARINC659底板總線的多個(gè)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(gè)在線可更換模塊（LRM）間通過(guò)ARINC659底板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)總線由總線對(duì)A和B組成雙-雙配置，總線對(duì)A和B分別具有“x”和“y”兩條總線?？偩€上每一個(gè)LRM包括兩個(gè)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(gè)BIU接收所有4條總線。

圖1　ARINC659底板總線體系結(jié)構(gòu)

2　總線協(xié)議分析

ARINC659底板總線規(guī)范包括概述、技術(shù)說(shuō)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(shuō)明了ARINC659底板總線的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、出錯(cuò)管理、測(cè)試和維護(hù)等技術(shù)特點(diǎn)，定義了接口信號(hào)、電氣性能、物理隔離、連接器引腳分配等物理特性，詳細(xì)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(jī)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(qiáng)實(shí)時(shí)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(diǎn)：

(1)物理層隔離和總線電平

ARINC659總線的物理層協(xié)議通過(guò)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(hào)的完整性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)擺幅降至1 V，廣泛用于背板傳輸領(lǐng)域。該電平支持獨(dú)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?fù)浣Y(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(shí)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(diǎn)：①4條線的平均直流和交流功率對(duì)于所有數(shù)據(jù)模式都是常數(shù)，這減少了對(duì)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(cè)，這種編碼機(jī)制可以檢測(cè)總線開路、短路以及固定電平故障；③B總線與A總線信號(hào)反向，使信號(hào)具有差分驅(qū)動(dòng)特性，其反向的差分特性提供了良好的EMC特性。④通過(guò)將低頻轉(zhuǎn)變到高頻或是反過(guò)來(lái)可以檢測(cè)抖動(dòng)差錯(cuò)。ARINC659總線編碼規(guī)則如表1所示。

表1　ARINC659總線編碼規(guī)則

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

(3)同步機(jī)制和表驅(qū)動(dòng)機(jī)制

通過(guò)命令表中預(yù)先定義的同步消息，BIU實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換和保持。為了實(shí)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(zhǎng)同步 3種同步消息，通過(guò)這3種同步消息來(lái)實(shí)現(xiàn)總線系統(tǒng)的位級(jí)同步和幀級(jí)同步，從而實(shí)現(xiàn)同一個(gè)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(guò)表驅(qū)動(dòng)協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻確定，不會(huì)出現(xiàn)總線沖突，無(wú)總線訪問(wèn)等待時(shí)延。

表2　可糾正故障分類

(4)實(shí)時(shí)熱備份機(jī)制

ARINC659總線支持 4余度實(shí)時(shí)熱備份，通過(guò)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(shí)間（Δ時(shí)間）內(nèi)沒(méi)有完成總線傳輸時(shí)，可自動(dòng)切換到備份1模塊進(jìn)行傳輸；同理，如果備份1，備份2無(wú)法完成操作，則切換到備份2模塊及備份3模塊。通過(guò)主-備傳輸機(jī)制，進(jìn)一步提高了總線的可靠性。

(5)幀切換機(jī)制

通常的航空應(yīng)用通過(guò)協(xié)議提供的幀切換命令，可實(shí)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(dòng)的所有BIU應(yīng)該具有相同的表版本號(hào)。版本幀切換機(jī)制保證了所有處于同步狀態(tài)的BIU會(huì)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(hào)作比較，如果版本號(hào)不一致，它就會(huì)失去總線同步。在非版本幀中，表版本號(hào)被忽略，只要一個(gè)LRM中的 BIU對(duì)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。

圖2　幀組織示例

在所有的總線應(yīng)用中至少要有一個(gè)幀。在初始化同步完成后，總線上活動(dòng)的模塊將會(huì)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)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(gè)由底板上某個(gè)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(zhǎng)度較短，一般不超過(guò) 120 cm，只能用于機(jī)架內(nèi)模塊間通信，機(jī)架之間的通信要通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他總線來(lái)完成，這對(duì)于航空電子系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架間冗余設(shè)計(jì)，以及多個(gè)冗余機(jī)架之間的總線時(shí)間同步造成一定影響。其次為了實(shí)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(dú)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(zhǎng)，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(chǎng)合已無(wú)法滿足系統(tǒng)的通信需求，為了進(jìn)一步提高ARINC659總線通信速率，需要對(duì)ARINC659總線高速通信機(jī)制以及物理層電平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探索和研究。ARINC659總線協(xié)議擁有良好的容錯(cuò)性及錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)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(shí)，有時(shí)無(wú)法區(qū)分總線錯(cuò)誤，但數(shù)據(jù)可以被正常提交，此時(shí)可通過(guò)軟件在數(shù)據(jù)傳增加校驗(yàn)位的方法，當(dāng)使用可用性表并且發(fā)現(xiàn)總線有雙位錯(cuò)時(shí)，采用軟件校驗(yàn)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行進(jìn)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(cuò)總線，是構(gòu)建機(jī)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(guó)外已在波音777 AIMS(飛機(jī)信息管理系統(tǒng))、波音 737等民用飛機(jī)通用綜合航空電子系統(tǒng)成功應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)總線協(xié)議的分析，根據(jù)航空電子系統(tǒng)在近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了其協(xié)議特點(diǎn)和局限，并提出了未來(lái)發(fā)展方向，有利于促進(jìn)該總線在我國(guó)航空、航天領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)

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Analysis and research of ARINC659 bus protocol

Guo Liang1，2，Liu Yufeng3，Zhao Chuan4，Shi Jiatao4
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Beijing Keeven Aviation Instrument CO.LTD，Beijing 100086，China；4.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

With the development of aviation system，the data bus between airborne-equipment has a higher request for the highbandwidth and high real-time.At present，the traditional backplane bus，such as PCI，VME and Compact PCI and so on，can not meet the data communication requirements for the new generation of avionics systems.So a new bus of high reliability，fault tolerance and high integrity is defined，which is based on the existing industrial backplane bus——ARINC659 backplane bus.Aiming at the applications of ARINC659 backplane bus in avionics systems，this paper analyses the characteristics and limitations of the ARINC659 protocol and puts forward the future development and improvement direction.The research has positive significance for the development of ARINC659 backplane bus and the selection of avionics system backplane bus.

ARINC659 bus protocol；protocol analysis；protocol features

TN913

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.039

航空科學(xué)基金（2015ZC51036）；中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-07-19）

郭亮（1982-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。

劉宇峰（1976-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：飛控設(shè)計(jì)。

趙川（1988-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式設(shè)計(jì)與開發(fā)。

史嘉濤（1987-），男，碩士，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

中文引用格式：郭亮，劉宇峰，趙川，等.ARINC659總線協(xié)議分析及研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：149-152.

英文引用格式：Guo Liang，Liu Yufeng，Zhao Chuan，et al.Analysis and research of ARINC659 bus protocol[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：149-152.