一種基于串行背板總線(xiàn)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高電氣控制系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)對(duì)以往控制系統(tǒng)的分析研究，通過(guò)采用ARINC659背板總線(xiàn)、冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)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(diǎn)、硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)解決了復(fù)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(qiáng)的可配置性。

1 引言

傳統(tǒng)的雙余度計(jì)算機(jī)是采用雙通道模式，兩個(gè)通道工作相當(dāng)于兩臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)同步工作。任何一個(gè)通道的處理機(jī)故障、輸入/輸出故障故障、電源故障，本通道立即失效，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)立即降級(jí)。

采用高速、高可靠、四余度容錯(cuò)串行背板總線(xiàn)(ARINC659總線(xiàn))構(gòu)建的新型雙余度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所有處理機(jī)、電源、I/O模塊連接在這條串行背板總線(xiàn)上，所有模塊處理的信息均在這條總線(xiàn)上傳輸，所有模塊均可獲取總線(xiàn)上傳輸?shù)男畔?。任何一個(gè)處理機(jī)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(huì)喪失，可以較為容易的實(shí)現(xiàn)一次故障工作、二次故障安全。

2 ARINC659總線(xiàn)

659總線(xiàn)(ARINC 659總線(xiàn)簡(jiǎn)稱(chēng))是美國(guó)ARINC(航空無(wú)線(xiàn)電公司簡(jiǎn)稱(chēng))公司1993年制定的背板數(shù)據(jù)總線(xiàn)規(guī)范，它用于實(shí)現(xiàn)普通機(jī)架中航空LRM(在線(xiàn)可更換模塊)間進(jìn)行的通信，能夠滿(mǎn)足高數(shù)據(jù)吞吐量、嚴(yán)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(xiàn)是基于時(shí)間觸發(fā)機(jī)制、半雙工傳輸?shù)拇锌偩€(xiàn)，它支持魯棒的時(shí)間分區(qū)和空間分區(qū)，具有容錯(cuò)性、高可用性和高完整性，總線(xiàn)拓?fù)錇殡p-雙冗余配置的線(xiàn)性多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

659總線(xiàn)采用表驅(qū)動(dòng)比例訪(fǎng)問(wèn)，所有的總線(xiàn)接口單元(BIU)執(zhí)行相同的表，使用版本控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)，命令表是總線(xiàn)活動(dòng)的核心。659總線(xiàn)操作被劃分為一系列的窗口，每一個(gè)窗口包含一個(gè)長(zhǎng)度從32bit到8192bit的消息或者一個(gè)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(gè)窗口占據(jù)相關(guān)的LRM表命令規(guī)定的固定時(shí)間段。窗口可以包含一個(gè)數(shù)據(jù)消息、同步信息或空閑。659總線(xiàn)支持模塊一模塊(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))傳送，一個(gè)模塊到一組模塊(廣播)以及被選的一個(gè)模塊到一組模塊的通信模式。

659總線(xiàn)是由雙總線(xiàn)對(duì)(A和B)組成的雙-雙配置，總線(xiàn)對(duì)A和總線(xiàn)對(duì)B分別具有“X”和“Y”兩條總線(xiàn)。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(jìn)行數(shù)據(jù)的容錯(cuò)及有效性判斷。當(dāng)發(fā)生1條總線(xiàn)異常故障時(shí)，依據(jù)總線(xiàn)協(xié)議可以自動(dòng)糾正，對(duì)整機(jī)的數(shù)據(jù)正常傳輸無(wú)影響，整機(jī)可正常工作完成功能，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響;當(dāng)發(fā)生2條總線(xiàn)異常(可糾正的錯(cuò)誤)，對(duì)整機(jī)的數(shù)據(jù)正常傳輸無(wú)影響，整機(jī)可正常工作完成功能，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響;當(dāng)發(fā)生不可糾正的錯(cuò)誤時(shí)，整機(jī)數(shù)據(jù)傳輸失敗。

659總線(xiàn)狀態(tài)異常表如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

基于ARINC659背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)的雙余度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所有處理機(jī)、電源、I/O模塊連接在這條串行背板總線(xiàn)上，所有模塊處理的信息均在這條總線(xiàn)上傳輸，所有模塊均可獲取總線(xiàn)上傳輸?shù)男畔ⅲ幚頇C(jī)的同步信息、反映各模塊工作狀態(tài)的“心跳”信息均在總線(xiàn)上傳輸，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的交叉通道數(shù)據(jù)鏈(CCDL)。

雙余度電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)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(xiàn)背板(MB)。

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

電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)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(xiàn)通信子卡、659總線(xiàn)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(shí)現(xiàn)兩條PCI總線(xiàn)功能，PCI1總線(xiàn)為從橋，PCI2總線(xiàn)為主橋，所有子卡采用PMC標(biāo)準(zhǔn)。高性能處理器子卡通過(guò)PCI1總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)1553B總線(xiàn)通信子卡和GIO基板的雙口存儲(chǔ)器，GIO基板通過(guò)PCI2總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)659總線(xiàn)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(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，模塊中的GIO基板運(yùn)行FPGA軟件，6 59總線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)功能，模擬量、離散量輸入采集功能，離散量輸出功能，429總線(xiàn)通信管理、659總線(xiàn)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(xiàn)通信子卡和GIO基板組成;IOM2模塊由659總線(xiàn)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(guò)PCI2總線(xiàn)可以訪(fǎng)問(wèn)659子卡。

IOM模塊中的GIO基板運(yùn)行FPGA軟件，659總線(xiàn)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(xiàn)通信管理、659總線(xiàn)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(hù)電路，DC/DC變換電路，過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路等。

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

4 軟件設(shè)計(jì)

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

應(yīng)用軟件主要完成電氣系統(tǒng)的控制管理和維護(hù)管理。

系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)引導(dǎo)程序、BIT程序、操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、659總線(xiàn)命令表程序、操作系統(tǒng)擴(kuò)展服務(wù)組成，地面支持工具包括嵌入式軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、659總線(xiàn)命令表配置工具和在線(xiàn)編程工具。電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)軟件組成如圖3所示。

5 659總線(xiàn)命令表設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)由于數(shù)據(jù)類(lèi)型多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致且多為較短長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，無(wú)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(shí)現(xiàn)。各模塊通過(guò)659總線(xiàn)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(guò)程數(shù)據(jù)最大延時(shí)小于5ms，因此659總線(xiàn)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?shí)時(shí)性，命令表設(shè)計(jì)為三個(gè)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(hù)數(shù)據(jù)傳輸幀。其中初始化只有在產(chǎn)品上電時(shí)執(zhí)行，將其數(shù)據(jù)傳輸都放入初始化幀中，地面維護(hù)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不是很高，將維護(hù)BIT等命令和數(shù)據(jù)傳輸都放入維護(hù)數(shù)據(jù)幀中，將正常飛行過(guò)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(xiàn)同步后首先進(jìn)入初始化數(shù)據(jù)傳輸幀，通過(guò)CPU模塊幀切換指令來(lái)實(shí)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(guò) 659總線(xiàn)的同步時(shí)鐘電路，由總線(xiàn)命令表統(tǒng)一設(shè)計(jì)INT中斷號(hào)，通過(guò)PCI中斷上報(bào)主機(jī)，主機(jī)中斷服務(wù)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(diǎn)

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

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

3)通過(guò)采用“通用基板+子卡”組合結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和開(kāi)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(xiàn)-ARINC659總線(xiàn)的雙余度計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)。與現(xiàn)有的雙余度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，可以細(xì)化雙余度系統(tǒng)的顆粒度，達(dá)到系統(tǒng)緩慢降級(jí)的目的，同時(shí)大大提高了控制系統(tǒng)的安全性和可用性。