唐懷奎　李珊珊

摘 要：ARINC659總線是一個(gè)具有總線傳輸時(shí)間確定性的多節(jié)點(diǎn)串行通信總線，已成為新機(jī)航空電子系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的底板互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足ARINC659總線上各模塊的測(cè)試修理需求，通過(guò)ARINC659總線通信環(huán)境的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，完成ARINC659總線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：ARINC659總線;測(cè)試修理;設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0016-05

Design of ARINC659 Bus Test System

TANG Huaikui LI Shanshan

（Wuhu Machinery Factory， Wuhu Anhui 241000）

Abstract： The ARINC659 bus? is? a? multi-node serial communication bus with definite bus transmission time， which has become the standard of interconnection between the modules in the avionics system of new aircraft. In order to meet the test and repair requirements of ARINC659 bus， the design and verification of ARINC659 bus communication environment are carried out.

Keywords： ARINC659 bus;test and repair;design and verification

隨著新機(jī)航空電子系統(tǒng)綜合化、模塊化程度的日益提高，ARINC659總線作為模塊互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)總線在航空電子系統(tǒng)大量應(yīng)用。為測(cè)試機(jī)載產(chǎn)品內(nèi)在各模塊通信過(guò)程中ARINC659總線數(shù)據(jù)的完整性和可靠性[1]，對(duì)其進(jìn)行研究十分必要。本文通過(guò)ARINC659總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各模塊間總線數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制、各模塊間總線數(shù)據(jù)的測(cè)試方法研究，完成ARINC659總線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，形成機(jī)載模塊的ARINC659總線數(shù)據(jù)測(cè)試修理能力。

1 ARINC659總線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ARINC659總線測(cè)試系統(tǒng)硬件部分由底板和節(jié)點(diǎn)模塊組成，先通過(guò)對(duì)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆治龃_定系統(tǒng)總體架構(gòu)，再確定系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的具體架構(gòu)，最終設(shè)計(jì)出符合項(xiàng)目需求的總線仿真測(cè)試系統(tǒng)。

1.1 ARINC659總線測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定

ARINC659總線數(shù)據(jù)傳輸包括基本消息傳輸和主、后備消息傳輸。

1.1.1 基本消息傳輸。基本消息的傳輸分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和廣播傳輸?；鞠⒂糜诟髂K間（點(diǎn)到點(diǎn)）的通信或單模塊到多模塊的通信，且在窗口剛開始時(shí)就開始傳輸數(shù)據(jù)。點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流圖如圖1所示，廣播傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流圖如圖2所示。

1.1.2 主、后備消息傳輸。主、后備消息用于多個(gè)備用模塊（不能超過(guò)4個(gè)）到單個(gè)或多模塊的通信。由簡(jiǎn)單的仲裁機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且只有當(dāng)主LRM以及其他高優(yōu)先級(jí)的后備LRM在命令表預(yù)先規(guī)定的時(shí)間期內(nèi)保持不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，后備的LRM模塊才開始向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。ARINC659總線只允許一個(gè)LRM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

為使ARINC總線仿真測(cè)試平臺(tái)滿足兩種傳輸模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)由4個(gè)LRM模塊構(gòu)成，其中配備3個(gè)獨(dú)立ARINC659總線接口模塊，提供1個(gè)擴(kuò)展總線接口。

1.2 ARINC659總線模塊架構(gòu)確定

ARINC659總線上的模塊一般由核心處理器模塊（主機(jī)）、ARINC659總線接口模塊以及基板組成，模塊功能框圖如圖3所示。核心處理器模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理;ARINC659總線接口模塊負(fù)責(zé)總線上的數(shù)據(jù)收發(fā)處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總線接口模塊通過(guò)內(nèi)部外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)總線控制器實(shí)現(xiàn)與核心處理器主機(jī)接口的連接，從而完成同主機(jī)間的信息交換。

1.3 ARINC659總線測(cè)試系統(tǒng)確定

根據(jù)總線系統(tǒng)架構(gòu)和模塊架構(gòu)，確定測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 ARINC659總線數(shù)據(jù)通信環(huán)境開發(fā)

2.1 研究節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)用層軟件開發(fā)方法

總線接口模塊的驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）軟件包提供底層通信數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，為ARINC659總線通信的應(yīng)用程序提供服務(wù)支持。ARINC659總線芯片要通過(guò)PCI總線完成與主機(jī)的通信，主機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)[2]。

應(yīng)用層軟件分為嵌入式端軟件和主機(jī)端軟件。嵌入式端軟件通過(guò)以太網(wǎng)口接收主機(jī)接口用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）包并予以響應(yīng);主機(jī)端軟件通過(guò)以太網(wǎng)口接收UDP包并予以響應(yīng)。

2.1.1 嵌入式端軟件。嵌入式端軟件運(yùn)行于基于HKS289BRM芯片開發(fā)的VxWorks操作系統(tǒng)（版本5.5）上，包括處理軟件和伺服軟件兩部分。處理軟件用于完成處理主機(jī)控制命令、處理主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)并上傳至主機(jī)等工作;伺服軟件用于和主機(jī)進(jìn)行通信，內(nèi)置數(shù)據(jù)緩沖池，包括接收緩沖和發(fā)送緩沖[3]。

嵌入式端軟件開發(fā)接口主要包括初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、中斷使能以及中斷禁止。

接口使用順序：①掛接中斷服務(wù)程序;②初始化;③中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)接收/發(fā)送。

中斷使能和禁止程序在中斷服務(wù)程序中調(diào)用。中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送。應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1.2 主機(jī)端軟件。主機(jī)端軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)中，包括數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分。數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊用于讀取用戶數(shù)據(jù)并發(fā)送至數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，同時(shí)從收發(fā)模塊獲取數(shù)據(jù)并輸出（顯示）;數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用于通過(guò)以太網(wǎng)將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式端軟件，同時(shí)從嵌入式端軟件接收數(shù)據(jù)。

主機(jī)軟件網(wǎng)絡(luò)通信接口主要包括：讀取主機(jī)心跳，主機(jī)端發(fā)送COMMUNICATEDATA_TEST數(shù)據(jù)包到中央處理器（Central Processing Unit，CPU），CPU會(huì)響應(yīng)同樣格式的數(shù)據(jù)包到主機(jī);配置659，主機(jī)端發(fā)送COMMUNICATEDATA_CONFIG數(shù)據(jù)包到CPU，CPU配置完成后會(huì)響應(yīng)同樣格式但不包含配置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包到主機(jī);發(fā)送659數(shù)據(jù)，主機(jī)端發(fā)送帶有發(fā)送數(shù)據(jù)的COMMUNICATEDATA_SEND數(shù)據(jù)包到CPU，CPU會(huì)將數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)等待發(fā)送，然后響應(yīng)同樣格式但不包含發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包到主機(jī);接收659數(shù)據(jù)，主機(jī)端發(fā)送不包含接收數(shù)據(jù)的COMMUNICATEDATA_SEND數(shù)據(jù)包到CPU，如果CPU接收到數(shù)據(jù)包，CPU會(huì)響應(yīng)同樣格式但包含總線接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包到主機(jī);讀取659狀態(tài)，主機(jī)端發(fā)送不包含狀態(tài)數(shù)據(jù)的COMMUNICATEDATA_STATE數(shù)據(jù)包到CPU，CPU讀取659狀態(tài)，然后響應(yīng)同樣格式但包含狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包到主機(jī)。

2.2 研究ARINC659總線配置工具

ARINC659總線配置工具是開發(fā)采用ARINC659總線的綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的支持軟件，用于根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的通信和節(jié)點(diǎn)各任務(wù)進(jìn)行配置和設(shè)置、自動(dòng)生成總線命令表，從而建立系統(tǒng)綜合框架。ARINC659背板總線配置工具軟件具有項(xiàng)目管理、命令表管理、命令表生成、命令表仿真等功能，具體配置方法見《ARINC659命令表使用說(shuō)明》。

3 ARINC659總線數(shù)據(jù)測(cè)試與驗(yàn)證

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合總線修理實(shí)際，制訂并實(shí)施ARINC659總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試方案，測(cè)試環(huán)境連接如圖5所示。

3.1 物理層測(cè)試

協(xié)議中對(duì)物理層的定義主要包括信號(hào)線描述、底板總線介質(zhì)和連接器機(jī)械要求，以及底板和總線收發(fā)器電氣要求?？偩€接口和信號(hào)線如圖6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。每條總線有3條信號(hào)線，分別為D0、D1以及Ck。

被發(fā)送的數(shù)據(jù)以兩位為單位進(jìn)行劃分，兩位中的較低位在D0總線上發(fā)送，較高位在D1總線上發(fā)送。在消息間隙和同步脈沖期間沒有數(shù)據(jù)被發(fā)送。收發(fā)器/總線接口描述定義了底板總線上的模塊連接顯示的所有信號(hào)和操作，包括邏輯層、同步操作、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及錯(cuò)誤情況響應(yīng)等。

3.1.1 電源分配測(cè)試。①數(shù)據(jù)總線收發(fā)器電源輸入線路。為數(shù)據(jù)總線收發(fā)器提供+3.3 V電壓，每個(gè)收發(fā)器1條，共有4條（Ax_33 V、Ay_33 V、Bx_33 V和By_33 V）。該電壓由各載板提供給收發(fā)器，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)值為+3.3 V±5%，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。②數(shù)據(jù)總線端接器電壓線。為端接器提供+2.1 V電壓，每條總線1條，共有4條（Ax_Vt、Ay_Vt、Bx_Vt和By_Vt）。該電壓由底板提供給總線端接器，電壓標(biāo)準(zhǔn)值為+2.1 V±0.1 V，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

3.1.2 電氣性能測(cè)試。①模塊數(shù)據(jù)及時(shí)鐘線直流測(cè)試。高電平輸入電壓：信號(hào)線上的輸入電壓為+1.62 V或者更高時(shí)，均被解釋為邏輯“1”;與底板沒有電氣連接的信號(hào)線輸入也被解釋為邏輯“1”。低電平輸入電壓：向信號(hào)線上的輸入電壓為+1.47 V或是更低時(shí)，均被解釋為邏輯“0”。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。②總線數(shù)據(jù)及時(shí)鐘線直流測(cè)試。建立時(shí)間和保持時(shí)間：至少應(yīng)為6 ns，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。時(shí)鐘對(duì)稱：底板上時(shí)鐘信號(hào)的占空比應(yīng)該在40%～60%，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。③總線編碼測(cè)試。4條總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行編碼，數(shù)據(jù)編碼規(guī)則如下：AxD0/1正常數(shù)據(jù)電平（總線上邏輯1為高電平）;AyD0/1正常數(shù)據(jù)與{010101…}異或（每隔一位翻轉(zhuǎn)）;BxD0/1數(shù)據(jù)電平翻轉(zhuǎn)（總線上邏輯1為低電平）;ByD0/1正常數(shù)據(jù)與{101010…}異或（Ay線翻轉(zhuǎn)）。測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試

數(shù)據(jù)鏈路層分為介質(zhì)訪問(wèn)控制（Medium Access Control，MAC）子層和邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）子層。介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議基于在時(shí)間和空間上提供的TDPA協(xié)議，總線上的數(shù)據(jù)消息在預(yù)先確定的時(shí)間被傳送?？偩€時(shí)間被劃分為一系列的窗口，每一個(gè)窗口包含一個(gè)長(zhǎng)度從32位到8 192位的消息或者一個(gè)重同步脈沖。表定義了每一個(gè)窗口的長(zhǎng)度，以及哪個(gè)LRM在該窗口里進(jìn)行發(fā)送、接收和無(wú)操作。總線傳輸時(shí)間表由恒定長(zhǎng)度的周期幀組成，每個(gè)周期幀由多個(gè)獨(dú)立的窗口組成，通過(guò)嵌入在表存儲(chǔ)器中的協(xié)議層軟件控制正常的消息傳輸。每一個(gè)消息的源地址和目的地址包含在表存儲(chǔ)器中，而非通過(guò)總線傳送。

總線支持模塊到模塊（點(diǎn)到點(diǎn)）傳送，一個(gè)模塊到一組模塊（廣播）通信，以及可選（備用）的一個(gè)模塊到一組模塊的通信，有基本消息和主、后備消息兩種類型消息。基本消息用于單個(gè)源到單個(gè)或者多個(gè)目的的情況;主、后備消息用于有多個(gè)備用源和單個(gè)或多個(gè)目的的情況。主、后備的仲裁機(jī)制只允許主模塊或后備模塊之一獨(dú)占訪問(wèn)總線，后備模塊只有在主模塊和優(yōu)先級(jí)高于自身的后備模塊在預(yù)先確定的時(shí)間周期內(nèi)保持靜默時(shí)才會(huì)獲得總線控制權(quán)。

底板總線活動(dòng)由交替的消息和消息間隙組成的窗口構(gòu)成，如圖13所示。每一個(gè)窗口占據(jù)LRM命令表中相應(yīng)命令所規(guī)定的固定時(shí)間段。一個(gè)窗口可以包含一個(gè)數(shù)據(jù)消息、同步消息或空閑。

ARINC659協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試主要是測(cè)試被測(cè)設(shè)備輸出的各種總線操作及其時(shí)序波形，以及對(duì)出錯(cuò)的總線時(shí)序波形的標(biāo)識(shí)和處理是否符合ARINC659協(xié)議中的規(guī)定。測(cè)試過(guò)程中可使用示波器和邏輯分析儀監(jiān)控總線上的波形，檢查各種總線操作時(shí)序波形是否符合協(xié)議規(guī)定。通過(guò)總線故障注入電路在總線上注入各種總線錯(cuò)誤，并通過(guò)總線分析儀、邏輯分析儀和示波器監(jiān)控注入的故障是否有效，在注入有效的狀態(tài)下，檢查被測(cè)模塊的執(zhí)行情況。ARINC659總線最核心的功能是時(shí)間同步、數(shù)據(jù)傳輸和容錯(cuò)，因此主要對(duì)這些功能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

基于定制的ARINC659仿真測(cè)試平臺(tái)，將3個(gè)ARINC659模塊插入機(jī)箱底板內(nèi)，利用網(wǎng)口/串口控制3個(gè)模塊間完成數(shù)據(jù)通信，并使用示波器或邏輯分析儀檢測(cè)總線上信號(hào)質(zhì)量，使用上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖14和圖15所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)載模塊特性和典型ARINC659總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，設(shè)計(jì)了ARINC659總線仿真測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了ARINC659總線通信仿真。在此基礎(chǔ)上從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)ARINC659總線的測(cè)試進(jìn)行分析和研究，形成適用于機(jī)載模塊的ARINC659總線測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法和測(cè)試環(huán)境，為后續(xù)新機(jī)ARINC659底板總線上各機(jī)載模塊的測(cè)試修理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊廷善.測(cè)控系統(tǒng)總線綜述[J].測(cè)控技術(shù)，1999（5）：35-37.

[2]彭友銘，肖子楓，郭勐，等.CPCI總線與VME總線橋接底板的研制[J].計(jì)算機(jī)工程，2006（24）：247-250.

[3]張喜民，魏婷.ARINC 659背板數(shù)據(jù)總線應(yīng)用研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2011（5）：105-109.

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