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準的關(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格隔離。

    ARINC659在總線的傳輸電平選取了BTL電平標準，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準進行探索和研究。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。

參考文獻

[1] CARPENTER T，DRISCOLL K，HOYME K，et al．ARINC659 scheduling：problem definition[R]．Real-Time System Symposium，1994：165-169.

[2] ARINC．Arinc project paper 664：Aircraft data network，part 7-avionicsfull duplex switched Ethernet(sfdx) network [Z]，2005.

[3] Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC specification659 backplane data bus[S].USA：Aeronautical Radio，Inc，1993．

[4] 張喜民.ARINC 659背板數(shù)據(jù)總線協(xié)議初探[J].電光與控制，2013，20(3)：93-97.

[5] 魏婷，張喜民．AＲINC659背板總線調(diào)試方法研究[J]．測控技術(shù)，2008，27（S0）：84-86.

[6] 許宏杰，田澤，郭亮，等.ARINC659芯片設(shè)計與實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2014，24(3)：26-30.

[7] 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(yīng)用，2013，33(S2)：49－53，56.

[8] 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(shè)計，2010，31(12)：2726-2728.

[9] 馬寧，李玲，田澤，等.ARINC659總線協(xié)議芯片的仿真驗證[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20(1)：205-208.