ARINC659總線測試方法研究*

吳曉成，楊　峰，淮治華，柏美娟

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

ARINC659總線測試方法研究*

吳曉成1，2，楊峰1，2，淮治華1，2，柏美娟3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

ARINC659總線是一個具有總線傳輸時間確定性的多節(jié)點串行通信總線，為了保障 ARINC659總線系統(tǒng)在通信過程中的高容錯性、高冗余度、高完整性和高可靠性，對其進行充分測試是十分必要的，能確保ARINC659總線系統(tǒng)安全可靠地使用。搭建了ARINC659總線測試平臺，在此基礎(chǔ)上從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩方面對 ARINC659總線的測試進行了分析和研究，對提高ARINC659總線系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

ARINC659總線；測試；總線故障；物理層；數(shù)據(jù)鏈路層

0　引言

ARINC659總線是一種在總線傳輸時間和存儲空間上具有高容錯性和高冗余度的底板總線[1]，并以其特有的總線校驗機制，很好地解決了航空電子系統(tǒng)對于底板總線的高可靠性要求問題。ARINC659總線協(xié)議規(guī)定了總線物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層傳輸協(xié)議[2]，各設備廠家可以按照該協(xié)議開發(fā)相應的ARINC659總線設備。ARINC659總線設備只有在通過了協(xié)議測試之后，才能保證在各種應用環(huán)境的處理一致性，并保證不會由于某一設備異常的響應對其余設備造成影響。因此在設計ARINC659總線產(chǎn)品時，如何完成對總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的測試是確保產(chǎn)品安全可靠使用的關(guān)鍵。本文針對ARINC659總線的測試，搭建了ARINC659總線測試平臺，在此基礎(chǔ)上對ARINC659總線測試技術(shù)進行分析，提供了一種ARINC659總線測試的方法。

圖1　ARINC659總線測試平臺

1　ARINC659總線測試平臺構(gòu)架

ARINC659總線測試平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由ARINC659總線測試系統(tǒng)和被測系統(tǒng)組成。測試系統(tǒng)主要由總線故障注入電路和信號測試接口組成。

1.1總線故障注入電路

ARINC659總線是一種雙－雙備份的串行總線[3]，具有很強的容錯能力?？偩€故障注入電路，可以使1路、2路、3路、4路通信線路信號在傳輸時失效，這樣能檢驗ARINC659總線的故障處理能力?？偩€故障注入只是干擾總線傳輸正確信號，不會損壞產(chǎn)品系統(tǒng)，根據(jù)BTL電平的特點，注入的故障分為接地和斷開兩種方式。

1.2信號測試接口

測試平臺需要設計總線測試接口，以便利用總線分析儀、邏輯分析儀和示波器等監(jiān)控設備監(jiān)測總線傳輸?shù)男盘?，測試通信節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。

2　ARINC659總線測試方法

軟件測試一般分為白盒測試和黑盒測試兩種[4]。協(xié)議測試屬于黑盒測試，即通過控制觀察被測協(xié)議實現(xiàn)的外部行為對其做出評價，而不涉及協(xié)議實現(xiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。ARINC659總線測試分為物理層測試和數(shù)據(jù)鏈路層測試兩個方面。

2.1物理層測試

ARINC659總線物理層規(guī)定了底板總線的電氣特性，主要從總線接口信號線、信號線電氣特性、總線編碼、收發(fā)器使能和物理隔離等幾個方面進行測試，利用總線分析儀、邏輯分析儀和示波器等監(jiān)控設備通過信號測試接口監(jiān)測總線傳輸?shù)男盘枺瑴y試通信節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。ARINC659總線物理層的測試主要如表1所示。

表1　物理層的測試項

2.1.1總線對

(1)總線數(shù)據(jù)線

包含4條獨立總線，每條總線包含兩根數(shù)據(jù)信號線，發(fā)送數(shù)據(jù) 2 bit/min，Data0發(fā)送較低位，Data1發(fā)送較高位。信號被驅(qū)動時為低，未驅(qū)動時為高。信號類型為BTL電平。

(2)總線時鐘線

包含4條獨立總線，每條總線包含一根時鐘信號線。信號電平為BTL電平。

2.1.2電氣性能

(1)總線數(shù)據(jù)及時鐘線要求

信號線阻抗需要保證從模塊輸出到底板任一端的終端電阻時，電壓的最大升幅小于 100 mV。任何兩個LRM連接到底板的所有帶隙地之間的電壓差別不能超過50 mV；

(2)模塊數(shù)據(jù)及時鐘線直流要求模塊電氣特性如表 2所示。

表2　模塊電氣特性

(3)總線數(shù)據(jù)及時鐘線直流要求如表3所示。

表3　總線數(shù)據(jù)及時鐘直流要求

2.1.3物理隔離

為保證 ARINC659總線余度機制具有最佳的容錯性，在底板和總線接口節(jié)點上要作充分隔離，包括元器件物理位置和安排、總線的走線和信號的電氣隔離。

(1)BIU隔離：使用 2個獨立封裝的協(xié)議處理芯片，4條總線使用分離的收發(fā)器，使用獨立的晶振、表存儲器等；

(2)供電隔離：每一條總線（Ax、Ay、Bx和 By）都必須獨立供電，每個總線組的端接器電源也必須是獨立的；

(3)總線隔離：如果沒有被另外的導線或平面隔開，則Ax與Bx數(shù)據(jù)線之間、Ay與By數(shù)據(jù)線之間都必須隔開至少 0.304 8 cm或更多；時鐘線間必須隔開至少0.304 8 cm或更多；時鐘線可能與數(shù)據(jù)線相互交叉。

2.2數(shù)據(jù)鏈路層測試

ARINC659協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層測試主要是被測設備輸出的各種總線操作其時序波形和對出錯的總線時序波形的標識和處理是否符合ARINC659協(xié)議中的規(guī)定。

測試過程中可使用示波器、邏輯分析儀監(jiān)控總線上的波形，檢查各種總線操作時序波形是否符合協(xié)議規(guī)定。通過總線故障注入電路在總線上注入各種總線錯誤，并通過總線分析儀、邏輯分析儀和示波器監(jiān)控注入的故障是否有效，在注入有效的狀態(tài)下，檢查被測模塊的執(zhí)行情況。

2.2.1總線消息測試

(1)初始化同步測試。主要對初始化同步功能進行測試，包括初始化同步脈沖和初始化同步數(shù)據(jù)是否符合協(xié)議要求。

(2)長短同步驗證。主要對長短同步功能進行測試，包括長短同步脈沖的發(fā)送和接收、長同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、各種狀態(tài)下BIU的長短同步收發(fā)、主后備長同步發(fā)送和接收是否符合協(xié)議要求。

(3)數(shù)據(jù)傳輸功能測試。數(shù)據(jù)傳輸功能包括基本消息傳輸和主后備消息傳輸，基本消息傳輸即從單個發(fā)送器向一個或多個接收器傳送數(shù)據(jù)，主/后備消息傳輸即從多個后備發(fā)送器之一向一個或多個接收器傳送數(shù)據(jù)?；鞠鬏敯c對點數(shù)據(jù)傳輸、廣播數(shù)據(jù)傳輸、不同GAP下的收發(fā)、各種數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)收發(fā)。主后備消息傳輸包括最小GAP和DELTA下數(shù)據(jù)主后備收發(fā)、不同GAP下的收發(fā)、不同DELTA下的主后備收發(fā)、各種數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.2.2總線故障注入測試

總線故障注入測試可根據(jù)配置在每條總線上注入以下類型的故障，包括長時間故障、瞬時故障、毛刺和干擾。長時間故障是指長時間總線被拉高或拉低，瞬時故障是指在短時間內(nèi)總線被拉高或拉低，毛刺和干擾指總線上出現(xiàn)不期望的高或者低的隨干擾脈沖，根據(jù)ARINC659總線特點，對永久性故障模式進行測試，包括一路故障、兩路故障、三路故障、四路故障測試。其中一路故障又可以細分為時鐘故障或者數(shù)據(jù)故障；兩路故障、三路故障、四路故障均可以再細分為時鐘總線故障、數(shù)據(jù)總線故障以及時鐘總線和數(shù)據(jù)總線故障的組合。對瞬時性故障也可以按照永久性故障的劃分進行，同時瞬時性故障還包括故障的類型、發(fā)生時機及持續(xù)的周期，其中故障類型可分為高脈沖毛刺、低脈沖毛刺及相關(guān)組合。發(fā)生時機可根據(jù)總線上的消息進行分類，包括數(shù)據(jù)消息、同步消息以及總線空閑時。故障的持續(xù)時間可根據(jù)總線協(xié)議要求，分為小于 6 ns的隨機毛刺以及大于 6 ns的隨機毛刺。根據(jù)以上故障模式，利用 ARINC659總線測試平臺的總線故障注入電路，驗證在各種總線故障情況下的總線傳輸功能、錯誤標志指示是否符合協(xié)議要求，通過讀取發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)位和接收數(shù)據(jù)狀態(tài)位，根據(jù)圖2和圖3判斷測試結(jié)果，完成ARINC659總線相關(guān)故障的相關(guān)測試。發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)位描述如圖2所示。

圖2　發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)位描述

(1)V：發(fā)送數(shù)據(jù)有效標志位。1表示主機已經(jīng)將數(shù)據(jù)寫入對應的收發(fā)通道，可以發(fā)送。0表示主機尚未準備好數(shù)據(jù)，發(fā)送操作將被跳過。

(2)MS：主/后備消息窗口競爭獲勝者代碼

①00：接收到主/基本模塊數(shù)據(jù)；

②01：接收到后備1模塊數(shù)據(jù)；

③10：接收到后備2模塊數(shù)據(jù)；

④11：接收到后備3模塊數(shù)據(jù)。

(3)SF：發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)標志位

①00：發(fā)送正確地完成；

②01：發(fā)送沒有開始；

③10：在發(fā)送過程中出現(xiàn)不可糾正錯誤；

④11：未定義。

EAX、EAY、EBX和 EBY是 4根數(shù)據(jù)線的出錯標識位，高電平表示發(fā)送過程中該位數(shù)據(jù)線出錯。接收數(shù)據(jù)狀態(tài)位如圖3所示。

圖3　接收數(shù)據(jù)狀態(tài)位描述

(1)V：接收數(shù)據(jù)有效標志位。0表示在接收過程中出現(xiàn)不可糾正的錯誤，數(shù)據(jù)無效。1表示接收數(shù)據(jù)有效。

(2)MS：主/后備消息窗口競爭獲勝者代碼

①00：接收到主/基本模塊數(shù)據(jù)；

②01：接收到后備1模塊數(shù)據(jù)；

③10：接收到后備2模塊數(shù)據(jù)；

④11：接收到后備3模塊數(shù)據(jù)。

(3)RF：接收數(shù)據(jù)狀態(tài)標志位

①00：接收正確地完成；

②01：未接收到任何有效數(shù)據(jù)；

③10：接收到部分有效數(shù)據(jù)；

④11：未定義。

EAX、EAY、EBX和EBY是 4根數(shù)據(jù)線的出錯標識位，高電平表示接收過程中該位數(shù)據(jù)線出錯。

3　結(jié)論

ARINC659總線是一種雙－雙備份的通信總線，應用ARINC659總線能有效降低高度綜合化的電子系統(tǒng)的復雜性[5]，提高可靠性。本文研究 ARINC659總線的測試方法，能保證通過測試的各個設備廠家ARINC659總線設備在各種應用環(huán)境處理一致性，不會由于某一設備異常的響應對其余設備造成影響，提高了 ARINC659總線設備運行的可靠性和安全性。

[1]Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC specification 659 backplane data bus[S].USA:Aeronautical Radio，Inc，1993.

[2]田澤，郭亮，劉寧寧，等.ARINC659芯片協(xié)議符合性驗證關(guān)鍵技術(shù)研究[J].航空電子技術(shù)，2013，44(1)：37-42.

[3]張喜民，魏婷.ARINC659背板數(shù)據(jù)總線研究[J].航空計算技術(shù)，2011，41(5)：105-109.

[4]馬寧，李玲，田澤.ARINC659總線協(xié)議芯片的仿真驗證[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20(1)：205-208.

[5]李寶羽，張盛兵，安建峰.ARINC659總線協(xié)議同步機制的研究與實現(xiàn)[J].航空計算技術(shù)，2009，39(2)：117-119.

The research of ARINC659 bus testing method

Wu Xiaocheng1，2，Yang Feng1，2，Huai Zhihua1，2，Bai Meijuan3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China; 3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.,LTD，Xi′an 710068,China)

ARINC659 is a Muti-node and serial communication bus，which has the time desterminability on bus transfer.When the bus system is apply to in the process of communication,in order to guarantee its high fault tolerance,high redundant flexibility and high reliability,it is very important to have the bus fully tested,which can also ensure the reliable usage of bus system safety.This paper offers the test platform for ARINC659 bus.On this basis，from physical layer and data link layer,this paper conducts a comprehensive research and analysis on ARINC659 bus，which is of great significance to import the reliability of bus system.

ARINC659 bus；testing；bus fault；physical layer；data link layer

TN91；TP336

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.042

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-06-12）

吳曉成（1978-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：集成電路設計與驗證。

楊峰（1980-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：集成電路設計及驗證，嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

淮治華（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

柏美娟（1983-），女，本科，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)。

中文引用格式：吳曉成，楊峰，淮治華，等.ARINC659總線測試方法研究[J].電子技術(shù)應用，2016，42(8)：169-171，178.

英文引用格式：Wu Xiaocheng，Yang Feng，Huai Zhihua，et al.The research of ARINC659 bus testing method[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：169-171，178.