一種基于串行背板總線的控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為提高電氣控制系統(tǒng)的可靠性，通過對以往控制系統(tǒng)的分析研究，通過采用ARINC659背板總線、冗余的系統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種新的電氣控制系統(tǒng)。這篇文章介紹了該系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)特點、硬件和軟件設(shè)計。該系統(tǒng)解決了復雜控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和綜合管理，具有快速的系統(tǒng)重構(gòu)和很強的可配置性。

1 引言

傳統(tǒng)的雙余度計算機是采用雙通道模式，兩個通道工作相當于兩臺獨立計算機同步工作。任何一個通道的處理機故障、輸入/輸出故障故障、電源故障，本通道立即失效，計算機系統(tǒng)立即降級。

采用高速、高可靠、四余度容錯串行背板總線(ARINC659總線)構(gòu)建的新型雙余度計算機系統(tǒng)，所有處理機、電源、I/O模塊連接在這條串行背板總線上，所有模塊處理的信息均在這條總線上傳輸，所有模塊均可獲取總線上傳輸?shù)男畔?。任何一個處理機故障、輸入/輸出故障、電源故障，系統(tǒng)的余度采集和余度控制功能不會喪失，可以較為容易的實現(xiàn)一次故障工作、二次故障安全。

2 ARINC659總線

659總線(ARINC 659總線簡稱)是美國ARINC(航空無線電公司簡稱)公司1993年制定的背板數(shù)據(jù)總線規(guī)范，它用于實現(xiàn)普通機架中航空LRM(在線可更換模塊)間進行的通信，能夠滿足高數(shù)據(jù)吞吐量、嚴格的故障隔離、數(shù)據(jù)傳輸確定的綜合模塊化航空電子系統(tǒng)要求的規(guī)范。659背板數(shù)據(jù)總線是基于時間觸發(fā)機制、半雙工傳輸?shù)拇锌偩€，它支持魯棒的時間分區(qū)和空間分區(qū)，具有容錯性、高可用性和高完整性，總線拓撲為雙-雙冗余配置的線性多點結(jié)構(gòu)。

659總線采用表驅(qū)動比例訪問，所有的總線接口單元(BIU)執(zhí)行相同的表，使用版本控制機制實現(xiàn)，命令表是總線活動的核心。659總線操作被劃分為一系列的窗口，每一個窗口包含一個長度從32bit到8192bit的消息或者一個大約5 bit的同步脈沖，窗口由交替的消息和間隙組成，每一個窗口占據(jù)相關(guān)的LRM表命令規(guī)定的固定時間段。窗口可以包含一個數(shù)據(jù)消息、同步信息或空閑。659總線支持模塊一模塊(點對點)傳送，一個模塊到一組模塊(廣播)以及被選的一個模塊到一組模塊的通信模式。

659總線是由雙總線對(A和B)組成的雙-雙配置，總線對A和總線對B分別具有“X”和“Y”兩條總線。根據(jù)可用性數(shù)據(jù)有效表和完整性數(shù)據(jù)有效表進行數(shù)據(jù)的容錯及有效性判斷。當發(fā)生1條總線異常故障時，依據(jù)總線協(xié)議可以自動糾正，對整機的數(shù)據(jù)正常傳輸無影響，整機可正常工作完成功能，對系統(tǒng)沒有影響;當發(fā)生2條總線異常(可糾正的錯誤)，對整機的數(shù)據(jù)正常傳輸無影響，整機可正常工作完成功能，對系統(tǒng)沒有影響;當發(fā)生不可糾正的錯誤時，整機數(shù)據(jù)傳輸失敗。

659總線狀態(tài)異常表如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

基于ARINC659背板總線設(shè)計的雙余度計算機控制系統(tǒng)，所有處理機、電源、I/O模塊連接在這條串行背板總線上，所有模塊處理的信息均在這條總線上傳輸，所有模塊均可獲取總線上傳輸?shù)男畔?，處理機的同步信息、反映各模塊工作狀態(tài)的“心跳”信息均在總線上傳輸，無需專門的交叉通道數(shù)據(jù)鏈(CCDL)。

雙余度電氣系統(tǒng)控制計算機由以下模塊組成：

1)中央處理模塊(CPU1、CPU2);

2)輸入/輸出接口模塊(IOM1、IOM2);

3)電源模塊(PSM1、PSM2);

4)659總線背板(MB)。

CPU1、CPU2、IOM1、IOM2之間通過659總線互連，離散量輸入信號的余度采集是由兩個IOM完成，離散量輸出控制信號由兩個IOM完成。雙余度的離散量輸出由應用軟件控制，可以同時輸出，也可以單獨輸出。模擬量采集、1553B總線、429總線通信等均為無余度處理，所有處理的數(shù)據(jù)均在 659總線上傳輸，CPU1和CPU2模塊均能獲取到無余度采集處理的數(shù)據(jù)。

電氣系統(tǒng)控制計算機組成如圖2所示。

各塊組成如下：

1) CPU1和CPU2模塊采用完全相同的架構(gòu)：均由高性能處理器子卡、1553B總線通信子卡、659總線通信子卡和通用I/O處理基板(GIO基板)組成。GIO基板中的高性能FPGA(含處理器內(nèi)核)實現(xiàn)兩條PCI總線功能，PCI1總線為從橋，PCI2總線為主橋，所有子卡采用PMC標準。高性能處理器子卡通過PCI1總線訪問1553B總線通信子卡和GIO基板的雙口存儲器，GIO基板通過PCI2總線訪問659總線通信子卡和本板I/O資源。

CPU模塊中的高性能處理器子卡運行操作系統(tǒng)和應用軟件，模塊中的GIO基板運行FPGA軟件，6 59總線子卡上固化命令表通信軟件。GIO基板FPGA軟件主要功能是：雙口訪問功能，模擬量、離散量輸入采集功能，離散量輸出功能，429總線通信管理、659總線通信管理功能。

2)IOM1模塊和IOM2模塊采用完全相同架構(gòu)：IOM1模塊由659總線通信子卡和GIO基板組成;IOM2模塊由659總線通信子卡和GIO基板組成。GIO基板與CPU中的GIO基板相同，659子卡為通用子卡。GIO基板通過PCI2總線可以訪問659子卡。

IOM模塊中的GIO基板運行FPGA軟件，659總線卡上固化命令表通信軟件。FPGA軟件主要功能是：模擬量、離散量輸入采集功能，離散量輸出功能，429總線通信管理、659總線通信管理功能。

3) PSM1和PSM2模塊采用完全相同的LRM架構(gòu)，配置完全相同。包括：尖峰、浪涌防護電路，DC/DC變換電路，過流、過壓保護電路等。

4)MB模塊用于659總線、模擬量、離散量、總線、電源等各種輸入/輸出信號互聯(lián)和659總線端接。

4 軟件設(shè)計

電氣系統(tǒng)控制計算機軟件包括：系統(tǒng)軟件、地面支持工具包和應用軟件。

應用軟件主要完成電氣系統(tǒng)的控制管理和維護管理。

系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)引導程序、BIT程序、操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、659總線命令表程序、操作系統(tǒng)擴展服務組成，地面支持工具包括嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境、659總線命令表配置工具和在線編程工具。電氣系統(tǒng)控制計算機軟件組成如圖3所示。

5 659總線命令表設(shè)計

電氣系統(tǒng)控制計算機由于數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致且多為較短長度數(shù)據(jù)，無法使用DMA方式傳輸增加傳輸效率，所有的數(shù)據(jù)搬家操作都需軟件實現(xiàn)。各模塊通過659總線完成數(shù)據(jù)交互。以1553B數(shù)據(jù)發(fā)送為例，系統(tǒng)要求該傳輸過程數(shù)據(jù)最大延時小于5ms，因此659總線命令表正常數(shù)據(jù)傳輸周期必須小于 5ms。

為了提高正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，命令表設(shè)計為三個部分：初始化數(shù)據(jù)傳輸幀：正常工作數(shù)據(jù)傳輸幀;維護數(shù)據(jù)傳輸幀。其中初始化只有在產(chǎn)品上電時執(zhí)行，將其數(shù)據(jù)傳輸都放入初始化幀中，地面維護時，對系統(tǒng)實時性要求不是很高，將維護BIT等命令和數(shù)據(jù)傳輸都放入維護數(shù)據(jù)幀中，將正常飛行過程中所必須的數(shù)據(jù)傳輸放入正常工作數(shù)據(jù)傳輸幀。產(chǎn)品上電總線同步后首先進入初始化數(shù)據(jù)傳輸幀，通過CPU模塊幀切換指令來實現(xiàn)三種工作幀之間的切換。正常工作數(shù)據(jù)傳輸幀，通過 659總線的同步時鐘電路，由總線命令表統(tǒng)一設(shè)計INT中斷號，通過PCI中斷上報主機，主機中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)各模塊I/O的同步采集功能。

6 主要技術(shù)特點

1)采用新型的具有容錯能力的串行背板總線，構(gòu)建了雙余度的電氣系統(tǒng)控制計算機架構(gòu)，采用模塊級容錯重構(gòu)方式，提高了系統(tǒng)可用性。

2)通過采用更改659總線通信命令表的方式，系統(tǒng)具有靈活的可擴展性。

3)通過采用“通用基板+子卡”組合結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)具有可擴展性和開放性。

7 結(jié)論

為了提高電氣系統(tǒng)控制管理的可靠性，本文提出了一種基于串行背板總線-ARINC659總線的雙余度計算機體系架構(gòu)。與現(xiàn)有的雙余度計算機系統(tǒng)相比，可以細化雙余度系統(tǒng)的顆粒度，達到系統(tǒng)緩慢降級的目的，同時大大提高了控制系統(tǒng)的安全性和可用性。