0 引言

    航空電子系統(tǒng)綜合化的發(fā)展不斷提高，對系統(tǒng)的安全性、容錯性、實時性要求越來越高。底板總線是航空電子系統(tǒng)中各在線可更換模塊（LRM）間數(shù)據(jù)傳輸不可缺少的關(guān)鍵部分。航空系統(tǒng)綜合化復雜度的增加使得如何高效監(jiān)控總線數(shù)據(jù)行為、實時對數(shù)據(jù)分析、進行故障診斷及定位成為航空電子系統(tǒng)面臨的重要問題。提供能觸發(fā)瞬態(tài)監(jiān)控分析LRM之間通信狀態(tài)的系統(tǒng)將會大大提升航空電子系統(tǒng)維護效率，減少系統(tǒng)故障維護時間，對提升裝備維修性和可用性將發(fā)揮重大作用^[1]。

    本文提出了一種基于FPGA實現(xiàn)的ARINC659總線分析儀系統(tǒng)設計方案，可完成對ARINC659總線數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障注入、仿真測試等功能。

1 方案設計

1.1 傳輸機制

    ARINC659是一種串行總線，采用4條串行總線通過半雙工通信與交叉校驗的通信方式，它減少了硬件電路，提高了可靠性。ARINC659是雙總線組成的雙雙配置，總線對A、B分別有“x”“y”兩條總線，每條總線都有一條時鐘線和兩條數(shù)據(jù)線，每次傳送2個數(shù)據(jù)位，完整的總線由12條線組成。

    ARINC659采用雙總線交叉檢測容錯機制，接收到數(shù)據(jù)首先進行相應的解碼，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)有效性及解碼后的4條總線數(shù)據(jù)進行交叉(AX=AY、BX=BY、AX=BY、AY=BX)比較，比較結(jié)果根據(jù)調(diào)用可用性表或者完整性表判斷數(shù)據(jù)的有效性。

    命令表主要完成總線的初始化、預譯碼命令，對系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點間的通信和節(jié)點各任務的配置。

1.2 工作原理

    總線分析儀與其他LRM模塊一樣都是掛接在ARINC659總線上，圖1為總線分析儀在系統(tǒng)中的應用，總線分析儀與系統(tǒng)中其他的LRM具有相同的總線命令表，如果總線分析儀被設置為分析模式，當系統(tǒng)上電總線開始進行數(shù)據(jù)通信，任何一個LRM向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線分析儀就開始全部接收總線上的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)消息與同步消息進行分析處理，通過主機監(jiān)控界面實時顯示總線數(shù)據(jù)的狀態(tài)，總線分析儀只接收總線上的數(shù)據(jù)，不對總線上的數(shù)據(jù)進行發(fā)送或者更改，ARINC659總線規(guī)定一個窗口只能有唯一一個發(fā)送器，或者后備發(fā)送器對總線進行數(shù)據(jù)發(fā)送，允許多個設備接收總線的數(shù)據(jù)，配置命令表配置總線分析儀只作為接收狀態(tài)?？偩€分析儀通過總線收發(fā)器接收總線數(shù)據(jù)并對總線數(shù)據(jù)采用240 MHz的時鐘頻率采樣，采集模塊對數(shù)據(jù)做前端處理后，傳送到處理器做總線協(xié)議解析與數(shù)據(jù)分析，通過以太網(wǎng)將總線狀態(tài)傳輸給應用層軟件，應用層對數(shù)據(jù)處理后通過GUI界面實時顯示總線狀態(tài)信息。當總線分析儀作為故障注入模式時，總線分析儀作為輸入設備對總線的數(shù)據(jù)進行斷路故障設置或者拉低故障設置對總線注入錯誤導致總線錯誤^[2]。

    總線分析儀上電初始化完全遵循ARINC659總線上電初始化與同步規(guī)范，上電初始化完成后處于監(jiān)控總線狀態(tài)，將總線上的數(shù)據(jù)實時傳輸給主機完成總線數(shù)據(jù)的分析與顯示。 

1.3 硬件設計

    ARINC659總線分析儀主要由電源電路、復位電路、總線收發(fā)器電路、總線繼電器電路、數(shù)據(jù)采集單元(FPGA及配置電路)、CPU數(shù)據(jù)處理單元組成。如圖2功能框圖，數(shù)據(jù)采集單元完成總線數(shù)據(jù)的高頻數(shù)據(jù)采樣；CPU數(shù)據(jù)處理單元負責總線數(shù)據(jù)的處理與實時傳輸總線狀態(tài)到宿主主機。CPU數(shù)據(jù)處理單元要求具有一定存儲器的CPU模塊，具備PCI接口和以太網(wǎng)。

    電源電路是整個系統(tǒng)的供電模塊，提供整個系統(tǒng)各芯片工作所需要的工作電壓。

    復位電路采用手動復位、上電復位、軟復位3種復位方式實現(xiàn)系統(tǒng)復位機制。

    總線收發(fā)器電路主要負責數(shù)據(jù)的接收，該電路包括4路獨立的總線，每個總線收發(fā)器只接收一路總線數(shù)據(jù)，目前市場上大部分的659系統(tǒng)都采用BTL電平，因此收發(fā)器采用TTL電平轉(zhuǎn)化BTL電平功能的總線收發(fā)器，設計中BIUy控制AX、BX總線收發(fā)器的接收使能，BIUx控制AY、BY總線收發(fā)器的接收使能。

    繼電器電路是完成對總線狀態(tài)更改的故障注入電路，繼電器的狀態(tài)由FPGA控制器控制。

    數(shù)據(jù)采集單元是總線分析儀的關(guān)鍵部分，主要由一片F(xiàn)PGA以及外圍配置電路實現(xiàn)，F(xiàn)PGA作為采集模塊的核心主要完成功能如下：

    (1)采樣單元：采樣單元采用高頻時鐘進行659總線數(shù)據(jù)采樣，由于659總線采用大電流驅(qū)動，總線數(shù)據(jù)毛刺可能比較大，這樣采樣頻率要求比較高，設計中采樣頻率是總線工作頻率的8倍進行數(shù)據(jù)完整性采樣。采樣單元實時采樣總線數(shù)據(jù)，并對采樣數(shù)據(jù)打本地時標，以約定格式輸出。

    (2)濾波電路：采樣到的數(shù)據(jù)首先進行數(shù)據(jù)恢復與去毛刺處理。

    (3)檢測單元：對濾波后的數(shù)據(jù)檢測單元首先判斷是同步信息還是數(shù)據(jù)，如果為同步信息則直接傳送監(jiān)控控制單元，如果為數(shù)據(jù)段則將接收到的數(shù)據(jù)解碼進行數(shù)據(jù)校驗，數(shù)據(jù)校驗依據(jù)可用性表或者完整性表根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的有效性及4路總線交叉比較的結(jié)果判斷，校驗后的數(shù)據(jù)與校驗狀態(tài)進行數(shù)據(jù)拼接，拼接成32 bit(一個字)再傳送給監(jiān)控控制單元。

    (4)監(jiān)控控制單元：監(jiān)控控制單元主要完成數(shù)據(jù)消息、同步消息與CPU數(shù)據(jù)處理單元之間的實時數(shù)據(jù)通信，它將采樣單元與檢測單元采集校驗的數(shù)據(jù)與檢驗狀態(tài)實時地傳輸給CPU處理模塊單元，以及控制故障注入的繼電器電路對總線注入“0”、“1”、斷開等故障。

    (5)主機接口：根據(jù)總線數(shù)據(jù)的傳輸速率，本設計采用33 MHz×32 bit的PCI總線接口，PCI總線接口直接集成Xlinx PCI LogiCORE，其設計完全兼容33 MHz×32 bit總線協(xié)議規(guī)范，CPU數(shù)據(jù)處理單元通過采集模塊的DPRAM與相關(guān)寄存器完成高速率的數(shù)據(jù)通信^[3]。

    CPU數(shù)據(jù)處理單元是整個分析儀的核心處理器，主要處理捕獲模式與觸發(fā)模式，根據(jù)應用層的約束條件進行不同模式的數(shù)據(jù)處理后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給應用層軟件。

1.4 系統(tǒng)軟件設計

    ARINC659總線分析儀軟件平臺開發(fā)：宿主機采用PC，系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與宿主機的通信，分析儀軟件由分析儀驅(qū)動軟件、API軟件包、幀描述語言編輯器、傳輸軟件以及上位機應用軟件組成。軟件架構(gòu)如圖3所示。

    應用軟件主要提供一個簡單的人機界面，用戶通過直觀統(tǒng)一的GUI應用軟件控制其工作，提供659數(shù)據(jù)分析、659數(shù)據(jù)監(jiān)控、659數(shù)據(jù)捕獲、659總線故障注入等功能。

    (1)數(shù)據(jù)分析功能：提供線速的659同步消息和659數(shù)據(jù)消息的接收功能；對659數(shù)據(jù)按照時標進行實時解析與同步顯示。

    (2)數(shù)據(jù)監(jiān)控功能：可統(tǒng)計接收到數(shù)據(jù)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)流量監(jiān)控；監(jiān)控分析數(shù)據(jù)的錯誤狀態(tài)，錯誤統(tǒng)計；數(shù)據(jù)鏈路中是否存在不可靠數(shù)據(jù)或者總線存在毛刺；版本號是否匹配、幀切換中接收到的不可校正的數(shù)據(jù)、發(fā)送使能是否匹配;通過對數(shù)據(jù)消息與同步消息的分析判斷同步脈沖是否錯誤，實現(xiàn)對系統(tǒng)總線實時狀態(tài)跟蹤分析功能。

    (3)數(shù)據(jù)捕獲功能：可提供數(shù)據(jù)在線實時捕獲與觸發(fā)捕獲，將記錄數(shù)據(jù)存儲到主機硬盤，數(shù)據(jù)存儲由軟件實現(xiàn)。

    (4)總線故障注入功能：故障注入是通過控制器控制每路總線設計的繼電器實現(xiàn)對總線“0”、“1”、斷開等3種狀態(tài)的故障注入，對于每一組信號，除了單獨的信號注入故障以外，還包括相互粘連的情況，共有3種粘連情況：每一組的CK與D0粘連，D0與D1粘連，CK、D0、D1粘連。默認的情況下，所有的信號沒有故障注入，處于正常連通的狀態(tài)。圖4所示為軟件故障注入界面設計。

    驅(qū)動軟件是作為傳輸軟件與應用軟件的通信接口，它包括CPU系統(tǒng)軟件驅(qū)動、PCI接口驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動以及通信軟件，CPU系統(tǒng)軟件驅(qū)動提供采集模塊的控制、中斷服務、狀態(tài)匯報、不同模式的數(shù)據(jù)處理、應用程序等服務，以太網(wǎng)驅(qū)動提供以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)解析、API軟件等，PCI接口驅(qū)動完成PCI接口的初始化、總線采集模塊與CPU之間的通信等，通信軟件實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的傳輸。

    傳輸軟件作為分析儀的底層軟件，主要完成總線數(shù)據(jù)的傳輸及總線命令表的編寫。ARINC659總線完全基于659總線命令表進行總線周期性活動，幀描述語言命令用于定義ARINC659總線數(shù)據(jù)幀中每個窗口操作、窗口長度、命令參數(shù)等。

2 功能驗證

    按照圖1的環(huán)境搭建方式，對總線系統(tǒng)的各個節(jié)點進行不同狀態(tài)的故障注入，通過總線分析儀對總線進行實時記錄、捕獲、監(jiān)控分析^[4]。總線分析儀根據(jù)主機的命令來啟動或者停止不同模式的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)采用240 MHz的采樣頻率對總線數(shù)據(jù)與同步消息進行實時的采用，能準確捕捉與記錄初始化同步、長同步、短同步以及總線數(shù)據(jù)，并標識對應的描述符，通過命令表將描述符傳輸?shù)街鳈C，主機對傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析并實時顯示到GUI界面。總線消息傳輸仿真時序如圖5所示。

    本設計采用CPU8245主機對不同的系統(tǒng)進行大量的故障注入與監(jiān)控分析試驗驗證，驗證結(jié)果與設計功能相一致，完全取代了昂貴儀器設備、人員耗時的分析，高效地解決了ARINC659總線系統(tǒng)出現(xiàn)的各種總線故障問題。

3 結(jié)束語

    本文立足于航空系統(tǒng)領(lǐng)域經(jīng)常出現(xiàn)的ARINC659總線系統(tǒng)故障、監(jiān)控分析等問題，提出一種針對解決ARINC659總線系統(tǒng)現(xiàn)場故障問題提供的一種快速定位與分析總線狀態(tài)的總線分析儀系統(tǒng)，同時該分析儀具備故障診斷、信息處理、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)捕獲及故障注入等功能，減少了系統(tǒng)的復雜度，為航空ARINC659總線系統(tǒng)高效、實時地分析總線狀態(tài)提供一種有效的手段。

參考文獻

[1] A rinc specification 659 backplane data bus[C].The Airlines Electronic Engineering Committee.Seattle：Blake Island，1993.

[2] 強新建，田澤，淮治華.基于ARINC 659的FPGA原型驗證平臺的構(gòu)建與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2010，31(12)；2726-2728.

[3] 汪迪娜，樊曉椏，安建鋒.ARINC659總線監(jiān)控卡的設計與實現(xiàn)[J].微電子學與計算機，2010(11)：168-172.

[4] 田澤，劉寧寧，郭亮，等.ARINC659底板數(shù)據(jù)總線及關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機應用，2013，33(S2)：49－53，56.