設(shè)計(jì)基于FPGA實(shí)現(xiàn)的ARINC659總線的系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析儀

摘 要： 隨著航空系統(tǒng)綜合化復(fù)雜度的增加，如何高效監(jiān)控總線數(shù)據(jù)行為、實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)分析、進(jìn)行故障診斷及定位是航空電子系統(tǒng)面臨的重要問題。提出一種基于FPGA開發(fā)的ARINC659總線分析儀設(shè)計(jì)方案，主要實(shí)現(xiàn)了ARINC659總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控、采樣、存儲(chǔ)及故障注入測(cè)試，可以通過通信接口將總線數(shù)據(jù)觸發(fā)實(shí)時(shí)分析并評(píng)估總線行為，為ARINC659總線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析提供了完善、可靠的測(cè)試手段。
 

航空電子系統(tǒng)綜合化的發(fā)展不斷提高，對(duì)系統(tǒng)的安全性、容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)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(fù)雜度的增加使得如何高效監(jiān)控總線數(shù)據(jù)行為、實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)分析、進(jìn)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(huì)大大提升航空電子系統(tǒng)維護(hù)效率，減少系統(tǒng)故障維護(hù)時(shí)間，對(duì)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(shí)現(xiàn)的ARINC659總線分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可完成對(duì)ARINC659總線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障注入、仿真測(cè)試等功能。

1.1 傳輸機(jī)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(yàn)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(duì)A、B分別有“x”“y”兩條總線，每條總線都有一條時(shí)鐘線和兩條數(shù)據(jù)線，每次傳送2個(gè)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(cè)容錯(cuò)機(jī)制，接收到數(shù)據(jù)首先進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)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(yù)譯碼命令，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)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(yīng)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(shè)置為分析模式，當(dāng)系統(tǒng)上電總線開始進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，任何一個(gè)LRM向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(jìn)行分析處理，通過主機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)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(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送或者更改，ARINC659總線規(guī)定一個(gè)窗口只能有唯一一個(gè)發(fā)送器，或者后備發(fā)送器對(duì)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，允許多個(gè)設(shè)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(duì)總線數(shù)據(jù)采用240 MHz的時(shí)鐘頻率采樣，采集模塊對(duì)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(yīng)用層軟件，應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)處理后通過GUI界面實(shí)時(shí)顯示總線狀態(tài)信息。當(dāng)總線分析儀作為故障注入模式時(shí)，總線分析儀作為輸入設(shè)備對(duì)總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行斷路故障設(shè)置或者拉低故障設(shè)置對(duì)總線注入錯(cuò)誤導(dǎo)致總線錯(cuò)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(shí)時(shí)傳輸給主機(jī)完成總線數(shù)據(jù)的分析與顯示。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

ARINC659總線分析儀主要由電源電路、復(fù)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(fù)責(zé)總線數(shù)據(jù)的處理與實(shí)時(shí)傳輸總線狀態(tài)到宿主主機(jī)。CPU數(shù)據(jù)處理單元要求具有一定存儲(chǔ)器的CPU模塊，具備PCI接口和以太網(wǎng)。

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

復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位、上電復(fù)位、軟復(fù)位3種復(fù)位方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位機(jī)制。