綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)*

王戰(zhàn)江

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)*

王戰(zhàn)江**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

為解決綜合化航空電子系統(tǒng)中冷重啟動(dòng)時(shí)大電流沖擊導(dǎo)致的電子元器件加劇老化問(wèn)題，以及避免冷重啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)中無(wú)需重啟動(dòng)部分正常工作被中斷現(xiàn)象，提出將熱重啟動(dòng)引入綜合化航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。結(jié)合綜合化航空電子系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和處理器的復(fù)位功能，分析了熱重啟動(dòng)在綜合化航空電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的可行性，給出了實(shí)現(xiàn)熱重啟動(dòng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，熱重啟動(dòng)能夠有效解決冷重啟動(dòng)方式在綜合化航空電子系統(tǒng)的弊端。

綜合化航空電子系統(tǒng)；功能處理通道；熱重啟動(dòng);硬件設(shè)計(jì)

1 引 言

綜合化航空電子系統(tǒng)(第四代綜合航空電子系統(tǒng))[1]由位于機(jī)架外的綜合化天線孔徑和承載現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(Line Replaceable Module，LRM)的機(jī)架組成，機(jī)架中的LRM模塊通常分為綜合化的射頻前端類模塊、信號(hào)處理類模塊、數(shù)據(jù)處理類模塊和控制管理類模塊等幾大類[2]。LRM模塊采用多處理單元設(shè)計(jì)方法，以充分利用高度發(fā)展的微電子技術(shù)，最大程度減小系統(tǒng)的體積和重量。根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，LRM模塊中的相關(guān)處理單元加載相應(yīng)的功能處理軟件，配合機(jī)架外的天線孔徑，即可組成從天線到基帶的完整處理通道，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。

綜合化航空電子系統(tǒng)機(jī)架中LRM模塊通常采用統(tǒng)一的28 V直流供電，由機(jī)架外的一個(gè)或幾個(gè)加電開(kāi)關(guān)控制關(guān)加電。當(dāng)系統(tǒng)中的一個(gè)功能處理通道由于軟件故障或根據(jù)需求需要重啟時(shí)，需通過(guò)機(jī)架外的加電開(kāi)關(guān)斷電后再加電實(shí)現(xiàn)。通過(guò)加電開(kāi)關(guān)的冷重啟動(dòng)方式不但中斷系統(tǒng)中共用該加電開(kāi)關(guān)的其他功能處理通道的正常工作，加電時(shí)由于電子元器件需要承受瞬態(tài)的大電流沖擊，會(huì)加快元器件的老化速度，進(jìn)而影響系統(tǒng)可靠性。熱重啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)帶電重啟[3]，能有效避免上述冷重啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的不良影響，同時(shí)，熱重啟動(dòng)不會(huì)造成重啟動(dòng)功能處理通道的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random-Access Memory，RAM)數(shù)據(jù)丟失，重啟動(dòng)前的工作狀態(tài)能夠快速恢復(fù)[4]。因此，熱重啟動(dòng)在綜合化航空電子系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)尚沒(méi)有對(duì)熱重啟動(dòng)在綜合化航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文將熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)思想引入到綜合化航空電子系統(tǒng)中，對(duì)綜合化航空電子系統(tǒng)中熱重啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行了分析，給出了實(shí)現(xiàn)熱重啟動(dòng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 綜合化航空電子系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)分析

航空電子系統(tǒng)涉及的功能龐大，通常由多個(gè)綜合化機(jī)架組成，在控制管理結(jié)構(gòu)上采用分層控制架構(gòu)[5]，分為系統(tǒng)級(jí)控制管理、機(jī)架級(jí)控制管理、功能級(jí)控制管理和模塊級(jí)控制管理，控制管理層次如圖1所示。

圖1 控制管理層級(jí)示意圖

Fig.1 Diagram of control management level

系統(tǒng)級(jí)控制管理是系統(tǒng)的頂層控制管理中心，實(shí)體通常為高性能的通用中央處理器(Central processing unit，CPU)模塊，采用系統(tǒng)級(jí)高速總線(例如SRIO總線)與航空電子系統(tǒng)各機(jī)架互連，完成對(duì)系統(tǒng)各機(jī)架的統(tǒng)一控制管理，同時(shí)連接顯示器，提供對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

機(jī)架級(jí)控制管理用于對(duì)機(jī)架內(nèi)各功能處理通道的控制管理，一般由通用數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)，采用與系統(tǒng)級(jí)控制管理相同的高速總線與各功能處理通道互連，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

功能級(jí)控制管理用于各功能處理通道內(nèi)部的控制管理，通常由該功能處理通道中的信號(hào)處理類模塊兼顧完成。

模塊級(jí)控制管理主要是射頻前端類模塊在收到功能處理通道中信號(hào)處理類模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身狀態(tài)的控制管理，射頻前端類模塊主要有通用射頻接收類模塊、射頻發(fā)射類模塊和射頻功放類模塊等。

3 綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)可行性分析

綜合化航空電子系統(tǒng)中的某項(xiàng)功能主要由機(jī)架信號(hào)處理類模塊和射頻前端類模塊中的通用處理單元加載相應(yīng)的功能處理軟件構(gòu)建，以超短波接收通信舉例：系統(tǒng)操作員通過(guò)顯示器選擇當(dāng)前某一空閑處理通道為超短波接收功能，系統(tǒng)級(jí)的通用CPU模塊將該指令發(fā)送到被選空閑處理通道所在的機(jī)架控制管理模塊，機(jī)架控制管理模塊將該指令分發(fā)到空閑處理通道的信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊解析該指令后控制模塊內(nèi)的空閑處理單元以及射頻前端模塊中的空閑處理單元加載相應(yīng)波形接收處理軟件，構(gòu)建一條從射頻到基帶的功能處理通道，實(shí)現(xiàn)超短波接收通信功能。

綜合航空電子系統(tǒng)中的某一功能處理通道由于只占用信號(hào)處理類模塊和射頻前端類模塊的部分硬件電路，如果該功能處理通道熱重啟動(dòng)，不會(huì)影響系統(tǒng)中其他功能的正常使用。

綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)主要用于含有軟件的各類處理器重啟，以便修復(fù)軟件故障或方便系統(tǒng)使用，涉及到的處理器包括常用的數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)、CPU和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)等，這幾種處理器在硬件設(shè)計(jì)上都具備復(fù)位引腳，對(duì)這些處理器的復(fù)位引腳施以器件規(guī)定的時(shí)序邏輯，即可實(shí)現(xiàn)處理器的重啟動(dòng)。系統(tǒng)級(jí)控制管理單元和機(jī)架級(jí)控制管理單元物理上獨(dú)立于功能處理通道，當(dāng)系統(tǒng)中某一功能處理通道需要重啟時(shí)，可以通過(guò)系統(tǒng)級(jí)控制管理單元和機(jī)架級(jí)控制管理單元產(chǎn)生功能處理通道各類處理器需要的復(fù)位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)功能處理通道的非斷電重啟，即綜合化航空電子系統(tǒng)中功能處理通道具備熱重啟動(dòng)的可行性。

4 綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)上文的描述可知，綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)主要針對(duì)系統(tǒng)中需要重啟的功能處理通道，而機(jī)架中的各功能處理通道由機(jī)架控制管理模塊統(tǒng)一管理，功能處理通道重啟動(dòng)時(shí)，機(jī)架控制管理模塊不需要重啟動(dòng)。因此，機(jī)架中的各功能處理通道熱重啟動(dòng)在硬件設(shè)計(jì)上可以采取兩種設(shè)計(jì)方案。

方案一：由機(jī)架控制管理模塊對(duì)機(jī)架內(nèi)的各處理通道提供硬件復(fù)位信號(hào)，機(jī)架控制管理模塊通過(guò)使能需要重啟動(dòng)功能處理通道對(duì)應(yīng)的復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)熱重啟動(dòng)[6]。由機(jī)架控制管理模塊提供硬件復(fù)位信號(hào)的熱重啟動(dòng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件復(fù)位信號(hào)實(shí)現(xiàn)熱重啟動(dòng)示意圖

Fig.2 Diagram of warm restart using hardware reset signal

由于機(jī)架內(nèi)的系統(tǒng)規(guī)模較大，各功能處理通道的復(fù)位信號(hào)驅(qū)動(dòng)距離較遠(yuǎn)，且每個(gè)復(fù)位信號(hào)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)功能處理通道中的多個(gè)處理器復(fù)位，硬件復(fù)位信號(hào)需要選擇驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的總線型信號(hào)，建議選用“RS485”電平信號(hào)或集電極開(kāi)路(Open Collector，OC)門輸出的開(kāi)漏信號(hào)。同時(shí)，考慮到機(jī)架內(nèi)的電磁環(huán)境復(fù)雜，復(fù)位信號(hào)必須具備強(qiáng)抗干擾能力，以避免由于機(jī)架內(nèi)的噪聲干擾導(dǎo)致的誤復(fù)位。可以采取的措施有屏蔽電纜走線，并遠(yuǎn)離機(jī)架中的大功率干擾。如果是背板走線，則復(fù)位信號(hào)要用屏蔽地全程屏蔽保護(hù)。

方案二：由機(jī)架控制管理模塊對(duì)機(jī)架內(nèi)的各處理通道下發(fā)熱重啟動(dòng)命令，處理通道中的功能模塊解析熱重啟動(dòng)命令后實(shí)施自我重啟動(dòng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)綜合化航空電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)架內(nèi)的LRM模塊在業(yè)務(wù)總線外還采用專用的健康狀態(tài)管理控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)總線與機(jī)架控制管理模塊互連[7]，LRM模塊中設(shè)計(jì)獨(dú)立的CAN總線協(xié)議處理子系統(tǒng)，以確保LRM模塊的健康狀態(tài)管理。該熱重啟動(dòng)方案即采用機(jī)架控制管理模塊通過(guò)CAN總線對(duì)需要重啟動(dòng)的功能處理通道LRM模塊下發(fā)命令，LRM模塊中的CAN總線協(xié)議處理子系統(tǒng)解析命令，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)對(duì)LRM模塊中的功能處理單元復(fù)位。該方案的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 命令式熱重啟動(dòng)硬件設(shè)計(jì)框圖

Fig.3 Hardware diagram of warm restart using commands

兩種硬件設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 兩種硬件設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

Tab.1 Comparison between two hardware projects

方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)方案一由機(jī)架控制管理模塊直接使能專用復(fù)位信號(hào)復(fù)位,響應(yīng)速度快每個(gè)功能處理通道需要設(shè)置專門的復(fù)位信號(hào);復(fù)位信號(hào)在模塊間傳輸易被干擾方案二通過(guò)協(xié)議下發(fā)復(fù)位命令,可靠性高;CAN總線具有較好的抗干擾能力通過(guò)協(xié)議發(fā)送命令,響應(yīng)速度慢

因此，方案一適用于實(shí)時(shí)性要求高且機(jī)架內(nèi)干擾相對(duì)較小的系統(tǒng)，而方案二則適用于高可靠性要求但對(duì)時(shí)間不太苛刻的系統(tǒng)。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇上述的硬件方案，同時(shí)還需要通過(guò)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行支撐，以進(jìn)一步加強(qiáng)可靠性。

某一功能處理通道需要重啟時(shí)，由操作員通過(guò)系統(tǒng)控制管理模塊下發(fā)熱重啟動(dòng)命令給機(jī)架控制管理模塊。采用硬件方案一時(shí)，機(jī)架控制管理模塊解析熱重啟動(dòng)命令后產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)重啟功能處理通道，功能處理通道啟動(dòng)結(jié)束后射頻前端類模塊上報(bào)啟動(dòng)就緒狀態(tài)給信號(hào)處理類模塊，信號(hào)處理類將啟動(dòng)完成信息匯總后統(tǒng)一通過(guò)機(jī)架控制管理模塊上報(bào)系統(tǒng)控制管理模塊，系統(tǒng)控制管理模塊將功能處理通道啟動(dòng)完成信息送顯示器顯示，系統(tǒng)操作員即可通過(guò)該功能處理通道進(jìn)行后續(xù)的功能任務(wù)處理。軟件處理流程如圖4所示。

圖4 對(duì)應(yīng)硬件方案一軟件流程圖

Fig.4 Software flow of hardware project 1

硬件方案二通過(guò)LRM模塊中的CAN獨(dú)立子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱重啟動(dòng)，流程如圖5所示，熱重啟動(dòng)軟件主要在CAN獨(dú)立子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)功能軟件影響較小。

圖5 對(duì)應(yīng)硬件方案二軟件流程圖

Fig.5 Software flow of hardware project 2

5 綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

針對(duì)上文的熱重啟動(dòng)軟硬件設(shè)計(jì)方法，在項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證選取相對(duì)簡(jiǎn)單的第一種硬件設(shè)計(jì)方案。該驗(yàn)證項(xiàng)目為某型獨(dú)立端機(jī)，采用綜合化設(shè)計(jì)思想，端機(jī)主要由控制管理模塊、信號(hào)處理模塊、射頻類模塊和電源模塊組成，其中的信號(hào)處理模塊、射頻類模塊均包含4個(gè)獨(dú)立的處理單元，信號(hào)處理模塊中的處理器選用的是TI公司的TMS320C6416型DSP和XILINX公司的XC5VLX50型FPGA，射頻類模塊中處理器選用的是XILINX公司的XC4VLX25型FPGA，DSP的復(fù)位引腳n_RESET腳和FPGA的復(fù)位引腳n_PROG_B腳連接控制管理模塊FPGA的輸入/輸出(Input/Output，I/O)引腳，DSP和FPGA處理器的復(fù)位引腳均為低有效。實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用商用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)級(jí)控制管理，通過(guò)以太網(wǎng)與被測(cè)設(shè)備連接。

操作員通過(guò)計(jì)算機(jī)下發(fā)第一個(gè)處理通道重啟動(dòng)命令，控制管理模塊的PPC處理器解析重啟動(dòng)命令，通過(guò)控制管理模塊內(nèi)的FPGA模擬第一個(gè)處理通道的復(fù)位信號(hào)復(fù)位時(shí)序，拉低10 ms后再置高狀態(tài)，第一個(gè)處理通道的處理器開(kāi)始復(fù)位，700 ms左右計(jì)算機(jī)收到第一個(gè)處理通道上報(bào)的啟動(dòng)完成指令。與冷重啟動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)過(guò)程各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 熱重啟動(dòng)和冷重啟動(dòng)指標(biāo)對(duì)比

Tab.2 Specification comparison between warm restart and cold restart

啟動(dòng)方式啟動(dòng)時(shí)間/ms其他處理通道正常工作啟動(dòng)電流/A熱重啟動(dòng)700無(wú)中斷約4冷重啟動(dòng)90000中斷約9備注冷重啟動(dòng)時(shí),控制管理模塊的PPC需要重啟,啟動(dòng)時(shí)間約90000ms冷重啟動(dòng)時(shí),不需要重啟動(dòng)的處理通道由于斷電導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷冷重啟動(dòng)時(shí)由于電源特性,沖擊電流較大

由表2可知，熱重啟動(dòng)相對(duì)冷重啟動(dòng)可以避免其他處理通道正常工作被中斷，同時(shí)在啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)電流兩項(xiàng)指標(biāo)上也得到了明顯的提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合化航空電子系統(tǒng)采用通用化設(shè)計(jì)思想，機(jī)架中的各功能處理通道由通用化LRM模塊構(gòu)建，并由系統(tǒng)統(tǒng)一供電，當(dāng)其中的一個(gè)功能處理通道需要重啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)機(jī)架外加電開(kāi)關(guān)的冷重啟動(dòng)方式，不但中斷其他正常功能處理通道，加電時(shí)的大電流沖擊還加劇了系統(tǒng)中電子元器件的老化速度，影響系統(tǒng)可靠性。為克服這些弊端，本文提出了綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)思想，給出了兩種實(shí)現(xiàn)熱重啟動(dòng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，對(duì)其中一種方法在項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)能有效避免冷重啟動(dòng)的缺陷，同時(shí)加快重啟動(dòng)進(jìn)程。

基于實(shí)際情況，本文的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在多通道功能端機(jī)進(jìn)行，電路規(guī)模和系統(tǒng)復(fù)雜度遠(yuǎn)小于實(shí)際的綜合化航空電子系統(tǒng)，因此，下一步工作重點(diǎn)是在實(shí)際綜合化航空電子系統(tǒng)進(jìn)行熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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王戰(zhàn)江(1979—)，男，河南安陽(yáng)人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹娇针娮酉到y(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

WANG Zhanjiang was born in Anyang,Henan Province,in 1979.He received the M.S. degree in 2011.He is now an engineer.His research concerns avionics system and communication system.

Email:clara3w@163.com

Design of Warm Restart in Integrated Avionics System

WANG Zhanjiang

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Warm restart is proposed in order to solve the problems arising from the process of cold restart in integrated avionics system,which are the aggravation of the aging process of electronic components hit by huge transient current and the interruption of normal functions requiring no restart.According to the control structure of integrated avionics system and the reset function of processors,feasibility to realize warm restart is analyzed,and software and hardware project solutions are provided. Experimental results show that warm restart can effectively solve the disadvantage caused by cold restart in integrated avionics system.

integrated avionics system;function processing channel;warm restart；hardware design

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.07.018

王戰(zhàn)江.綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動(dòng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2016,56(7):815-819.[WANG Zhanjiang.Design of warm restart in integrated avionics system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(7):815-819.]

2016-01-08；

2016-05-04 Received date:2016-01-08；Revised date：2016-05-04

TN802;V243

A

1001-893X(2016)07-0815-05

**通信作者：clara3w@163.com Corresponding author：clara3w@163.com