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)

摘要：現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中，隨著電子元器件的集成度不斷地提高，新一代的航空電子綜合系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的可靠性要求也不斷地提高，如實(shí)時雷達(dá)圖像信號注入到數(shù)字地圖系統(tǒng)、消息等待延遲等保證實(shí)時信息能及時交換、強(qiáng)的容錯和重構(gòu)能力要求系統(tǒng)消除可能存在危及整個系統(tǒng)生存的單點(diǎn)故障等，保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文介紹了幾種常用的航空總線，并重點(diǎn)介紹了ARINC659總線在數(shù)據(jù)傳輸中關(guān)于提高數(shù)據(jù)可靠性的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：芯片設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)通信；航空總線；數(shù)據(jù)可靠性；ARINC659

    在航電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線是服務(wù)于航電系統(tǒng)的一個很重要的組成部分，它是航電系統(tǒng)個子系統(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。隨著航電系統(tǒng)的發(fā)展，在總線領(lǐng)域先后提過了一系列的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對于數(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)備間通過雙絞線互連起來，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)。ARINC規(guī)范是在ARINCA29的基礎(chǔ)上起草的，但又獨(dú)立于ARINC419。過去許多航空設(shè)備采用的航空總線種類各異，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。ARINCA29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。
    ARINCA29總線采用雙角屏蔽線傳輸信息，通過一對雙絞線反向傳輸，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。ARINCA29總線每一個字為32位，它的字同步是以傳輸周期至少4位的時間間隔也就是4位碼字為基準(zhǔn)的。
1．2 1553B總線
    該總線是一個時分制指令／響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)的總線，是一個關(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)時分制墮落數(shù)據(jù)總線的技術(shù)要求，也對規(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。其作用是提供一個在不同系統(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。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，在傳輸時都應(yīng)視為邏輯0。對于一個字的傳輸，MSB應(yīng)當(dāng)?shù)谝粋€傳輸對于多個字組合成德高精度數(shù)據(jù)傳輸時，最重要字的MSB應(yīng)當(dāng)?shù)谝粋€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)?，?shù)據(jù)編碼是雙向的ManchesterⅡ碼。
1．3 ARINC6519總線
    該總線是一個多節(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)的總線容錯能力，它是未來我國新型飛機(jī)將采用的主要機(jī)載總線之一。ARINC 659總線是由雙總線對組成的雙一雙配置，總線對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條時鐘線和2條數(shù)據(jù)線，每個時鐘傳送2個數(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)動均衡訪問(TDPA)的通信機(jī)制，支持4條串行總線同時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)。
    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)制用于多個備用源和單個目或多個目的情況，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)送器訪問總線，一個后備只有在主和其他優(yōu)先級比它高的后備發(fā)送器在預(yù)先確定的實(shí)踐周期保持沉默時才在總線上發(fā)送。
    2)在發(fā)送數(shù)據(jù)時對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。

    同時在接收數(shù)據(jù)時要對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，采用這樣的差錯檢測機(jī)制，使接收數(shù)據(jù)的可靠性能夠得到一定的保障。

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、時鐘電路、存儲器、數(shù)據(jù)收發(fā)、校驗(yàn)、容錯模塊、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。

    發(fā)送方在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中使用編碼對四條總線分別進(jìn)行編碼之后傳輸，通過一些列數(shù)據(jù)的處理之后接收方對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并檢測數(shù)據(jù)的可靠性及完整性，如表1所示。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果顯示
    該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用Verilog語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用了modelsim以及chipscope檢測并驗(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)生故障時產(chǎn)生的波形圖。

5 結(jié)論
    對系統(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)制來保證系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中數(shù)據(jù)傳輸的可靠性，在發(fā)送端對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后發(fā)送并在接收端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼比較，通過對某一路或兩路數(shù)據(jù)添加認(rèn)為的干擾驗(yàn)證系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對一路及部分兩路錯誤數(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。