ARINC659總線(xiàn)在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉偉偉 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

ARINC659總線(xiàn)在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉偉偉 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

ARINC659總線(xiàn)是一種標(biāo)準(zhǔn)的多點(diǎn)串行通信總線(xiàn)，具有完備的數(shù)據(jù)通信確定性和容錯(cuò)性特點(diǎn)，非常適合在對(duì)可靠性和冗余容錯(cuò)性要求較高的航天器綜合電子系統(tǒng)中作為標(biāo)準(zhǔn)背板總線(xiàn)。文章在對(duì)ARINC659總線(xiàn)架構(gòu)以及通信機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)基于ARINC659總線(xiàn)的綜合電子硬件模塊、軟件驅(qū)動(dòng)程序和表程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)描述。應(yīng)用ARINC659總線(xiàn)，不僅能提升航天器綜合電子通信的確定性和容錯(cuò)性，也能使綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由事件觸發(fā)向時(shí)間觸發(fā)模式轉(zhuǎn)變，由集中式控制管理向分布式并行處理轉(zhuǎn)變，從而顯著提升航天器綜合電子系統(tǒng)的故障定位、并行數(shù)據(jù)處理、快速組裝與測(cè)試能力，以及提高航天器綜合電子系統(tǒng)資源的利用率。

航天器綜合電子系統(tǒng)；ARINC659總線(xiàn)；表程序；硬件模塊；軟件驅(qū)動(dòng)程序

1 引言

綜合電子系統(tǒng)是航天器智能化及信息處理的中心，為整個(gè)航天器提供完善的通信資源、計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源[1]，這些資源的提供通過(guò)綜合電子系統(tǒng)中的處理器與外圍的部件、模塊之間相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)，這就要求處理器與外圍部件、模塊之間，以及外圍模塊相互之間的通信具有高可靠性和高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的航天器電子系統(tǒng)中，處理器與外圍部件、模塊之間直接通過(guò)處理器的IO總線(xiàn)連接實(shí)現(xiàn)背板通信，具有連線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜、傳輸速率低、可靠性差的缺點(diǎn)，已經(jīng)不再適應(yīng)航天器日益提升的功能和性能需求，因此亟需一種高可靠的標(biāo)準(zhǔn)背板總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)硬件模塊之間的互聯(lián)互通，提升硬件模塊之間數(shù)據(jù)通信的確定性和容錯(cuò)能力，并實(shí)現(xiàn)各硬件模塊物理層接口的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化。

ARINC659總線(xiàn)是美國(guó)航空無(wú)線(xiàn)電公司(ARINC)在1993年制定的標(biāo)準(zhǔn)背板數(shù)據(jù)總線(xiàn)規(guī)范[2]，已成功應(yīng)用于波音777、717N、MD-10、KC-130等飛機(jī)的航空系統(tǒng)，NASA也為其應(yīng)用于下一代空間探測(cè)器的高可靠分層系統(tǒng)中進(jìn)行了一系列的研究，認(rèn)為ARINC659總線(xiàn)在影響安全性方面作了最少的妥協(xié)，從安全性和容錯(cuò)性角度考慮是最可靠的背板總線(xiàn)[3-5]。在國(guó)內(nèi)，ARINC659總線(xiàn)已應(yīng)用于軍用飛機(jī)中，然而尚沒(méi)有在航天器中開(kāi)展應(yīng)用。ARINC659總線(xiàn)采用的時(shí)間觸發(fā)分時(shí)分區(qū)通信機(jī)制，能夠在背板上為各在線(xiàn)可更換模塊(LRM)之間建立起高數(shù)據(jù)吞吐量、嚴(yán)格的故障隔離、完備的冗余容錯(cuò)、確定的數(shù)據(jù)傳輸路徑[6]，這種特性不僅適用于航天器綜合電子系統(tǒng)對(duì)可靠性和確定性要求苛刻的環(huán)境，更能以一種標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)形式支撐綜合電子系統(tǒng)的總線(xiàn)體系，規(guī)范處理器與外圍硬件模塊之間的數(shù)據(jù)通信機(jī)制，為綜合電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、通用化、可擴(kuò)展化提供了技術(shù)保障，也為綜合電子系統(tǒng)向整個(gè)航天器提供開(kāi)放、高效的計(jì)算、通信、存儲(chǔ)資源奠定了基礎(chǔ)。為此，本文以ARINC659總線(xiàn)在國(guó)內(nèi)航天器綜合電子系統(tǒng)背板總線(xiàn)中的應(yīng)用為目標(biāo)，首先介紹了ARINC659總線(xiàn)的通信機(jī)制，然后系統(tǒng)地分析了綜合電子系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并總結(jié)了ARINC659總線(xiàn)為綜合電子系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，為高可靠、高確定性標(biāo)準(zhǔn)背板設(shè)計(jì)提供技術(shù)解決方案。

2 ARINC659總線(xiàn)通信機(jī)制研究

ARINC659總線(xiàn)在物理層及數(shù)據(jù)鏈路層均制定了詳盡的通信機(jī)制，為了使ARINC659總線(xiàn)能夠更好地適應(yīng)航天空間環(huán)境以及更好地對(duì)綜合電子系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文對(duì)ARINC659總線(xiàn)的物理層架構(gòu)以及鏈路層通信協(xié)議進(jìn)行了研究。

2.1 ARINC659總線(xiàn)架構(gòu)

ARINC659是一個(gè)基于時(shí)間觸發(fā)的線(xiàn)型連接多點(diǎn)串行通信總線(xiàn)，由采用集電極開(kāi)路形式的物理層收發(fā)器提供線(xiàn)或能力，這種線(xiàn)或形式的信號(hào)傳輸對(duì)信號(hào)完整性的要求特別高，為了提升信號(hào)傳輸質(zhì)量，將物理層規(guī)定的2.1 V終端上拉的背板收發(fā)器邏輯(BTL)收發(fā)器由1.5 V上拉的自研抗輻照特定用途集成電路(ASIC)芯片(JFM501-006)取代。在JFM501-006芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了功耗更小、信號(hào)速率更快的增強(qiáng)型射電收發(fā)器邏輯(GTLP)接口形式，并充分考慮了影響信號(hào)質(zhì)量的各種因素，以提升ARINC659總線(xiàn)物理層信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。形成的物理層總線(xiàn)架構(gòu)，如圖1所示。

完整的ARINC659總線(xiàn)由測(cè)試總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)組成[7]。測(cè)試總線(xiàn)由總線(xiàn)J和總線(xiàn)K組成，采用標(biāo)準(zhǔn)1149.5協(xié)議，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)接口單元(BIU，即BIUx和BIUy)的表程序加載和回讀測(cè)試。數(shù)據(jù)總線(xiàn)采用雙總線(xiàn)對(duì)(A和B)組成雙雙配置，總線(xiàn)對(duì)A和B分別具有“x”和“y”2組總線(xiàn)，共4組(Ax，Ay，Bx，By)總線(xiàn)[8]。4組總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸分別由BIUx和BIUy進(jìn)行控制，每個(gè)BIU的發(fā)送和2條總線(xiàn)接口(BIUx連接總線(xiàn)Ax和Bx，BIUy連接總線(xiàn)Ay和By)，而B(niǎo)IU的接收同時(shí)和Ax，Ay，Bx，By總線(xiàn)接口，并對(duì)總線(xiàn)進(jìn)行Ax=Ay，Bx=By，Ax=By，Bx=Ay的交叉校驗(yàn)(即對(duì)4條總線(xiàn)數(shù)據(jù)接收完一個(gè)16 bit半字并解碼后，按等式的關(guān)系判斷對(duì)應(yīng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)是否相等或一致)，糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并選擇出正確的數(shù)據(jù)。

2.2 ARINC659總線(xiàn)通信機(jī)制

ARINC659總線(xiàn)基于時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，采用表驅(qū)動(dòng)比例訪(fǎng)問(wèn)[9-10]，所有的BIU執(zhí)行相同的表程序，通過(guò)表程序?qū)RINC659總線(xiàn)的操作劃分為一系列的窗口，并定義每個(gè)窗口的長(zhǎng)度，以及由哪個(gè)LRM進(jìn)行傳輸、接收或者忽略總線(xiàn)消息?？偩€(xiàn)傳輸周期被組織成周期性循環(huán)的幀，幀周期長(zhǎng)度為總的窗口長(zhǎng)度和，每個(gè)窗口中消息的數(shù)據(jù)源和目的地址包含在表存儲(chǔ)器中，而不是通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，也就是哪個(gè)LRM在哪個(gè)窗口發(fā)送消息或者接收消息由表程序指定，總線(xiàn)所有帶寬都用于傳送有效數(shù)據(jù)，提升了帶寬利用率，消除了消息傳輸過(guò)程中有可能的地址沖突。ARINC659總線(xiàn)通信機(jī)制如圖2所示。

注：BOW，TX，RX，SSYNC均為表程序命令，其中BOW為窗口開(kāi)始，TX為向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，RX為從總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)，SSYNC為短同步消息。 圖2 ARINC659總線(xiàn)通信機(jī)制Fig.2 Communication mechanism of ARINC659 bus

ARINC659總線(xiàn)的每個(gè)窗口包含長(zhǎng)度從32～8192 bit的消息，或者大約5 bit的同步脈沖，窗口的長(zhǎng)度由表程序指定，同時(shí)，窗口中傳輸消息在源LRM中的發(fā)送地址，以及在接收LRM中的接收地址，也在表程序中指定，使ARINC659總線(xiàn)除了“分時(shí)”特性，也具備了“分區(qū)”特性，每個(gè)窗口的消息存儲(chǔ)在獨(dú)立的空間中，降低了ARINC659總線(xiàn)與主機(jī)間的時(shí)間耦合性，主機(jī)可以在ARINC659總線(xiàn)完成窗口傳輸后的一段時(shí)間里來(lái)處理對(duì)應(yīng)分區(qū)中的數(shù)據(jù)，而不用在窗口到來(lái)時(shí)立即去處理數(shù)據(jù)。

ARINC659總線(xiàn)上的所有BIU均運(yùn)行相同的表程序，為了使所有BIU執(zhí)行表程序的步調(diào)能夠一致，同步對(duì)于ARINC659總線(xiàn)來(lái)說(shuō)非常重要，為此，ARINC659總線(xiàn)制定了3種類(lèi)型的同步消息，分別為初始同步、長(zhǎng)同步和短同步。初始同步消息使所有的BIU啟動(dòng)表程序運(yùn)行或?qū)⑻幱谶\(yùn)行狀態(tài)的BIU強(qiáng)制回到表程序起始重新運(yùn)行。長(zhǎng)同步消息使ARINC659總線(xiàn)上失去同步的BIU重新回到同步狀態(tài)。短同步消息用于消除ARINC659總線(xiàn)上所有BIU運(yùn)行時(shí)鐘間的漂移誤差。在長(zhǎng)同步以及短同步消息的傳輸過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到信號(hào)在背板傳輸引入的空間信號(hào)偏斜，以及晶振漂移和同步精度的影響。因此，要保證ARINC659總線(xiàn)的同步精度，必須使得同步消息的同步周期滿(mǎn)足Tsync<(TGAP-Terror-2×Sskew)/Cerror，其中Tsync為同步周期，TGAP為選定的ARINC659總線(xiàn)消息之間的間隔，Terror為初始的同步誤差，Sskew為信號(hào)在背板上傳輸時(shí)的空間信號(hào)偏斜，Cerror為晶振的漂移率。

3 ARINC659總線(xiàn)在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

ARINC659總線(xiàn)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的背板總線(xiàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)的模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)具有重要作用，能夠有效地支撐綜合電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成由ARINC659總線(xiàn)作為標(biāo)準(zhǔn)物理層接口組件的硬件模塊及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，根據(jù)綜合電子系統(tǒng)設(shè)備中不同硬件模塊的組裝，通過(guò)總線(xiàn)表程序?qū)崿F(xiàn)硬件模塊間的互聯(lián)互通，形成具有特定功能的綜合電子系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備。

3.1 ARINC659總線(xiàn)在綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系中的位置

在綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)中，考慮系統(tǒng)功能、通信速率、容錯(cuò)和重構(gòu)能力對(duì)總線(xiàn)的需求，形成了以CPU前端總線(xiàn)、局部總線(xiàn)、I/O總線(xiàn)、外總線(xiàn)組成的4級(jí)總線(xiàn)分層結(jié)構(gòu)[1]。其中：CPU前端總線(xiàn)、局部總線(xiàn)、I/O總線(xiàn)均可作為設(shè)備背板總線(xiàn)，而ARINC659總線(xiàn)處于綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系中的第3層，作為I/O總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部硬件模塊之間的相互通信，利用ARINC659總線(xiàn)完備的冗余容錯(cuò)能力，彌補(bǔ)CPU總線(xiàn)及局部總線(xiàn)作為模塊間通信背板總線(xiàn)存在的容錯(cuò)、重構(gòu)、故障恢復(fù)和任務(wù)調(diào)度方面存在的困難，同時(shí)，將ARINC659總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)接口作為硬件模塊物理層接口，實(shí)現(xiàn)硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以及快速系統(tǒng)接入和擴(kuò)展的目的。綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：SoC為片上系統(tǒng)；CPCI為堅(jiān)實(shí)外設(shè)接口；AMBA為高級(jí)微控制器總線(xiàn)架構(gòu)。 圖3 綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of avionics system bus

3.2 基于ARINC659總線(xiàn)的硬件模塊設(shè)計(jì)

綜合電子系統(tǒng)硬件模塊(見(jiàn)圖4)采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)模式，所有的硬件模塊均遵循同樣的設(shè)計(jì)框架，由電源、功能組件、測(cè)試維護(hù)電路、標(biāo)準(zhǔn)的物理接口和可選的網(wǎng)絡(luò)層接口等功能部件組成，其中，標(biāo)準(zhǔn)的物理層接口即為綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)中的局部總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)接口，根據(jù)硬件模塊所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)操作速率等級(jí)，采用CPCI總線(xiàn)或ARINC659總線(xiàn)作為標(biāo)準(zhǔn)的物理層接口。

ARINC659總線(xiàn)已經(jīng)具備高度的冗余容錯(cuò)特性，4組總線(xiàn)中1組總線(xiàn)出現(xiàn)異常，依據(jù)總線(xiàn)協(xié)議可以自動(dòng)糾正，對(duì)整機(jī)數(shù)據(jù)正常傳輸無(wú)影響；出現(xiàn)2組總線(xiàn)異常(可糾正的錯(cuò)誤)，對(duì)整機(jī)數(shù)據(jù)正常傳輸無(wú)影響；只有在發(fā)生不可糾正錯(cuò)誤時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致整機(jī)數(shù)據(jù)傳輸失敗[6]。鑒于此，在綜合電子系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)中，主份及備份設(shè)置單獨(dú)的物理層接口，但是在背板設(shè)計(jì)中將所有的硬件模塊的ARINC659總線(xiàn)接口連接到同一條總線(xiàn)上，不同硬件模塊的主份與備份之間可相互通信，在故障情況下僅需對(duì)故障硬件模塊進(jìn)行切機(jī)操作，不影響其他硬件模塊的狀態(tài)，打破了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)靠單機(jī)冗余備份的界線(xiàn)，將綜合電子系統(tǒng)冗余備份顆粒度升級(jí)為模塊級(jí)的冗余備份，不至于產(chǎn)生因單模塊的故障而丟失整機(jī)資源的情況，提升了硬件模塊的資源利用率和可靠度。

注：m和n表示不同種類(lèi)模塊的數(shù)量。 圖4 綜合電子系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Design of avionics system hardware module

3.3 ARINC659總線(xiàn)軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

ARINC659總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的基本功能是完成對(duì)ARINC659總線(xiàn)通信協(xié)議的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于ARINC659總線(xiàn)硬件模塊的讀寫(xiě)功能。ARINC659總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)遵循綜合電子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一的設(shè)計(jì)框架，與其他總線(xiàn)及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一同形成符合綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的完整驅(qū)動(dòng)程序包，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 綜合電子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)Fig.5 Architecture of avionics system driver

綜合電子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)符合空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(CCSDS)提出的航天器星載接口業(yè)務(wù)(SOIS)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其中，驅(qū)動(dòng)程序位于綜合電子軟件體系結(jié)構(gòu)中子網(wǎng)層的數(shù)據(jù)鏈路層，作為軟件與硬件互聯(lián)互通的橋梁。完整的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一接口、操作系統(tǒng)IO框架和驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)體3部分組成。通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一接口上層軟件，可以如同操作外圍存儲(chǔ)器或其他本地設(shè)備一樣操作ARINC659總線(xiàn)；由操作系統(tǒng)IO框架完成驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一接口到實(shí)際驅(qū)動(dòng)程序的映射；最終由驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)體完成對(duì)硬件的操作。在驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)體中采用分級(jí)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，首先針對(duì)特定硬件模塊的功能由特定的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)包生成及協(xié)議處理等操作，最后將生成的數(shù)據(jù)包調(diào)用ARINC659總線(xiàn)統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)程序，由ARINC659總線(xiàn)統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)ARINC659總線(xiàn)的讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在ARINC659總線(xiàn)上的傳輸。

3.4 ARINC659總線(xiàn)表程序設(shè)計(jì)

ARINC659總線(xiàn)表程序是ARINC659總線(xiàn)運(yùn)行的控制中樞，而ARINC659總線(xiàn)作為綜合電子系統(tǒng)硬件模塊間數(shù)據(jù)通信的通道，其使用模式與硬件模塊的功能息息相關(guān)。對(duì)于熱備份的硬件模塊，按照2個(gè)獨(dú)立的硬件模塊規(guī)劃不同的時(shí)間窗口和存儲(chǔ)空間；而對(duì)于冷備份的硬件模塊，則共用相同的時(shí)間窗口和存儲(chǔ)空間，降低對(duì)時(shí)間窗口和存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)，為了統(tǒng)一硬件模塊的設(shè)計(jì)和訪(fǎng)問(wèn)，同類(lèi)型的硬件模塊采用相同的表程序時(shí)間規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的表程序狀態(tài)一致的目的，降低ARINC659總線(xiàn)程序設(shè)計(jì)和調(diào)試測(cè)試工作量。ARINC659總線(xiàn)表程序窗口規(guī)劃示例如圖6所示。

不同類(lèi)型硬件模塊和同類(lèi)型硬件模塊，均通過(guò)表程序中設(shè)計(jì)的中斷代碼識(shí)別是否為本模塊的時(shí)間窗口操作時(shí)間。其中：同類(lèi)型的多個(gè)硬件模塊使用的中斷代碼和存儲(chǔ)空間分配均相同，由ARINC659總線(xiàn)表程序?yàn)檫@些硬件模塊分配不同時(shí)間窗口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各硬件模塊獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)的目的。例如，在圖6中，硬件模塊LRM1與硬件模塊LRM2為同類(lèi)型硬件模塊，在時(shí)間窗口6為L(zhǎng)RM2產(chǎn)生中斷代碼，在時(shí)間窗口20為L(zhǎng)RM1產(chǎn)生中斷代碼，這2個(gè)中斷代碼一致，只是在不同時(shí)間窗口區(qū)分對(duì)不同LRM的訪(fǎng)問(wèn)。

圖6 ARINC659總線(xiàn)表程序窗口規(guī)劃示例Fig.6 Example of ARINC659 bus table program window layout

4 應(yīng)用ARINC659總線(xiàn)的綜合電子系統(tǒng)特點(diǎn)分析

借助ARINC659總線(xiàn)優(yōu)秀的冗余容錯(cuò)特性，將其與綜合電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)及其軟件體系架構(gòu)相互融合，有效地提升了航天器綜合電子系統(tǒng)在可靠性、確定性等方面的性能，具體如下。

(1)數(shù)據(jù)通信確定性、實(shí)時(shí)性增強(qiáng)：ARINC659總線(xiàn)采用表驅(qū)動(dòng)比例訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，通過(guò)表程序事先定義每個(gè)時(shí)間窗口上發(fā)送、接收LRM及收發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，不存在數(shù)據(jù)傳輸沖突和硬件模塊等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，保證數(shù)據(jù)通信確定性、實(shí)時(shí)性，并且根據(jù)時(shí)間窗口規(guī)劃的收發(fā)操作，可以很容易地對(duì)發(fā)生故障的硬件模塊進(jìn)行定位。

(2)容錯(cuò)性增強(qiáng)：ARINC659總線(xiàn)采用4組總線(xiàn)傳輸相同的數(shù)據(jù)，通過(guò)4組總線(xiàn)之間的比對(duì)校驗(yàn)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查和數(shù)據(jù)恢復(fù)，對(duì)單組或雙組總線(xiàn)的故障具有自動(dòng)糾正和屏蔽的能力，從而能提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蒎e(cuò)能力。

(3)可靠性增強(qiáng)：ARINC659總線(xiàn)采用雙BIU配置，只有在雙BIU都發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在某個(gè)BIU發(fā)生故障時(shí)，利用雙BIU之間的鉗制功能，可避免單硬件模塊故障的傳播造成對(duì)整條ARINC659總線(xiàn)的影響，增強(qiáng)ARINC659總線(xiàn)整體的可靠性。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化、擴(kuò)展能力增強(qiáng)：傳統(tǒng)電子系統(tǒng)背板設(shè)計(jì)所能攜帶的節(jié)點(diǎn)數(shù)目受器件驅(qū)動(dòng)能力的影響很大，硬件模塊只能通過(guò)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而不能獨(dú)立通信，且只接受單處理器的控制，采用ARINC659總線(xiàn)最多支持32個(gè)硬件模塊的連接，硬件模塊之間不僅可以相互獨(dú)立通信，同時(shí)支持多個(gè)處理器在ARINC659總線(xiàn)上的并行工作，通過(guò)不同時(shí)間窗口的規(guī)劃避免多處理器對(duì)硬件資源的訪(fǎng)問(wèn)沖突。

(5)冗余容錯(cuò)顆粒度變小：傳統(tǒng)電子設(shè)備只能采用單機(jī)級(jí)的粗放式備份方式，即使發(fā)生故障的單機(jī)中尚有可正常運(yùn)行的模塊，也無(wú)法再有效利用；而通過(guò)ARINC659總線(xiàn)的高度可靠冗余容錯(cuò)能力，可將硬件模塊的主份及備份連接到同一條總線(xiàn)上，硬件模塊的主份和其他硬件模塊的備份間可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在某個(gè)硬件模塊故障時(shí)不必進(jìn)行單機(jī)切換，只要進(jìn)行硬件模塊主備切換即可，從而能增強(qiáng)系統(tǒng)資源的利用率。

5 結(jié)束語(yǔ)

ARINC659總線(xiàn)不僅能為航天器綜合電子系統(tǒng)硬件模塊之間的數(shù)據(jù)通信帶來(lái)可靠性和確定性等方面的優(yōu)勢(shì)，也改變了綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，使之從突發(fā)無(wú)序的事件處理及沖突中轉(zhuǎn)向?yàn)榘磿r(shí)間確定的順序執(zhí)行操作，使系統(tǒng)接口重定向由指令控制轉(zhuǎn)為自動(dòng)無(wú)縫完成，使所有硬件模塊之間可獨(dú)立自主進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，也使系統(tǒng)的并行任務(wù)操作最高可在32個(gè)處理器中分布處理，實(shí)現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)性能的成倍增長(zhǎng)。目前，由ARINC659總線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的軟硬件資源已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的多個(gè)航天器，并已完成了系統(tǒng)級(jí)的電測(cè)和鑒定試驗(yàn)，其性能不但完全能夠滿(mǎn)足航天器對(duì)綜合電子系統(tǒng)的指標(biāo)需求，而且對(duì)綜合電子系統(tǒng)性能指標(biāo)的提升起到了十分重要的作用。

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(編輯：夏光)

Research on Application of ARINC659 Bus in Spacecraft Avionics System

LIU Weiwei CHENG Bowen WANG Luyuan YU Minfang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

The ARINC659 bus is a standard muti-point serial communication bus,with complete certainty and fault-tolerant data communication features,and ideal for standard backplane bus of the spacecraft avionics system which requires high reliability and fault tolerance and redundancy. On the basis of the studies of ARINC659 bus architecture and communication mechanism,in combination with spacecraft avionics system standard bus architecture,expounds the design of hardware module，software driver and table program. The application of the ARINC659 bus not only improves the deterministic and fault-tolerance communication of spacecraft avionics,but also makes a design conversion of avionics from event-triggered to time-triggered and from centralized management to distributed control,which significantly enhances the capability of fault detection，parallel data processing，rapid assembly and testing，and also improves resource utilization of spacecraft avionics system.

spacecraft avionics system； ARINC659 bus； table program； hardware module; software driver

2016-04-05；

2016-06-14

國(guó)家重大航天工程

劉偉偉，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鲾?shù)據(jù)管理技術(shù)、綜合電子系統(tǒng)。Email：akinglw@163.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.04.011