基于航空總線提高數(shù)據(jù)可靠性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟銳，劉彩紅，吳欣茹

（西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025）

在航電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線是服務(wù)于航電系統(tǒng)的一個(gè)很重要的組成部分，它是航電系統(tǒng)個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換紐帶，將所有的子系統(tǒng)鏈接在一起，從而實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)的信息共享和綜合化控制[1]。隨著航電系統(tǒng)的發(fā)展，在總線領(lǐng)域先后提過(guò)了一系列的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于數(shù)據(jù)總線傳輸可靠性的要求也在不斷地提高。下面就幾種常用的航空總線數(shù)傳輸方式分析介紹。

1 各種總線簡(jiǎn)介

1.1 ARINC 429總線

該總線是利用MARK33的數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)，它將飛機(jī)的各系統(tǒng)間或系統(tǒng)與設(shè)備間通過(guò)雙絞線互連起來(lái)，是各系統(tǒng)間或系統(tǒng)與設(shè)備間數(shù)字信息傳輸?shù)闹饕緩剑秋w機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]。ARINC規(guī)范是在ARINC429的基礎(chǔ)上起草的，但又獨(dú)立于ARINC419。過(guò)去許多航空設(shè)備采用的航空總線種類(lèi)各異，很難互相兼容。現(xiàn)在飛機(jī)電子系統(tǒng)要求各機(jī)載航空設(shè)備使用同一的航空總線，方便系統(tǒng)集成。ARINC429就是在這種需要下形成規(guī)范的。ARINC429具有接口方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠地特點(diǎn)，目前已經(jīng)是商務(wù)運(yùn)輸航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的航空電子總線。

ARINC429總線采用雙角屏蔽線傳輸信息，通過(guò)一對(duì)雙絞線反向傳輸，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而調(diào)制方式則采用雙絞線歸零制的三態(tài)編碼方式、即信息由“高”、“零”和“低”狀態(tài)組成的三電平狀態(tài)調(diào)制。ARINC429總線每一個(gè)字為32位，它的字同步是以傳輸周期至少4位的時(shí)間間隔也就是4位碼字為基準(zhǔn)的[3]。

1.2 1553B總線

該總線是一個(gè)時(shí)分制指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)的總線，是一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)總線電器特性和協(xié)議規(guī)范的軍事標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了飛機(jī)內(nèi)部數(shù)字式的命令/響應(yīng)時(shí)分制墮落數(shù)據(jù)總線的技術(shù)要求，也對(duì)規(guī)定了多路數(shù)據(jù)總線的操作方式和總線上的信息流的格式以及電氣要求[4]。其作用是提供一個(gè)在不同系統(tǒng)之間的傳輸數(shù)據(jù)和信息的媒介。1553B總線具有很高的可靠性和靈活性，加之技術(shù)比較成熟，所以應(yīng)用比較廣泛。

1553B數(shù)據(jù)總線以一種異步的、命令/響應(yīng)方式執(zhí)行，其傳輸將以半雙工方式進(jìn)行[5]。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的格式與本標(biāo)準(zhǔn)的消息和字格式相匹配。所有不使用的位，在傳輸時(shí)都應(yīng)視為邏輯0。對(duì)于一個(gè)字的傳輸，MSB應(yīng)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)傳輸對(duì)于多個(gè)字組合成德高精度數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最重要字的MSB應(yīng)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)傳輸。數(shù)據(jù)在總線上是以序列脈沖碼調(diào)制形式傳輸?shù)模瑪?shù)據(jù)編碼是雙向的ManchesterⅡ碼。

1.3 ARINC659總線

該總線是一個(gè)多節(jié)點(diǎn)多路串行通信總線，具有高數(shù)據(jù)完整性和很強(qiáng)的總線容錯(cuò)能力，它是未來(lái)我國(guó)新型飛機(jī)將采用的主要機(jī)載總線之一。ARINC 659總線是由雙總線對(duì)組成的雙-雙配置，總線對(duì)A和B分別具有“x”和“y”兩條總線。每一條總線（Ax、Ay、Bx和By）有各自的1條時(shí)鐘線和2條數(shù)據(jù)線，每個(gè)時(shí)鐘傳送2個(gè)數(shù)據(jù)位，完整的總線組由12條線組成。

2 ARINC659總線中數(shù)據(jù)可靠性的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸采用表驅(qū)動(dòng)均衡訪問(wèn)（TDPA）的通信機(jī)制，支持4條串行總線同時(shí)半雙工傳輸和交叉檢驗(yàn)的通信。數(shù)據(jù)為二進(jìn)制32位形式，采用小次序，數(shù)據(jù)發(fā)送先發(fā)送最低位的數(shù)據(jù)[6-8]。

ARINC659總線在提高數(shù)據(jù)的可靠性設(shè)計(jì)中采用了雙重保障機(jī)制：

1）采用了主后備的傳輸機(jī)制，保證的數(shù)據(jù)的有效傳輸，采用主后備的消息機(jī)制用于多個(gè)備用源和單個(gè)目或多個(gè)目的情況，采用適當(dāng)?shù)牟脹Q機(jī)制只允許主或后備源之一的發(fā)送器訪問(wèn)總線，一個(gè)后備只有在主和其他優(yōu)先級(jí)比它高的后備發(fā)送器在預(yù)先確定的實(shí)踐周期保持沉默時(shí)才在總線上發(fā)送。

2）在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)4條總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，如圖1所示，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

同時(shí)在接收數(shù)據(jù)時(shí)要對(duì)4條總線接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并進(jìn)行這樣的比較驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可用性與完整性：Ax=Ay，Bx=By，Ax=By，Bx=Ay，如表1所示，采用這樣的差錯(cuò)檢測(cè)機(jī)制，使接收數(shù)據(jù)的可靠性能夠得到一定的保障。

圖1 發(fā)送數(shù)據(jù)編碼圖Fig.1 Coding diagram of sending data

3 ARINC659總線與電路板的數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

ARINC659總線接口芯片是一種集成了控制器、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)收發(fā)、校驗(yàn)、容錯(cuò)模塊、脈沖發(fā)送、接收模塊等的片上系統(tǒng)，是一款通用化和小型化的通信處理芯片。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of system design

發(fā)送方在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的過(guò)程中使用編碼對(duì)四條總線分別進(jìn)行編碼之后傳輸，通過(guò)一些列數(shù)據(jù)的處理之后接收方對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及完整性，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證表Tab.1 Verification of data

4 設(shè)計(jì)結(jié)果顯示

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用了modelsim以及chipscope檢測(cè)并驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸中接收數(shù)據(jù)的可靠性，圖3是抓取了在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸中當(dāng)有一路數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的波形圖。

圖3 驗(yàn)證圖Fig.3 Verification diagram

5 結(jié) 論

對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用modelsim工具進(jìn)行模擬仿真，設(shè)計(jì)中采用了雙重的保障機(jī)制來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕诎l(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后發(fā)送并在接收端對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼比較，通過(guò)對(duì)某一路或兩路數(shù)據(jù)添加認(rèn)為的干擾驗(yàn)證系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一路及部分兩路錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的更正，在數(shù)據(jù)的傳輸中有效的保證了數(shù)據(jù)的可靠性，為航電系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)保證。

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