一種基于ARM的雙余度遠程接口單元設(shè)計

范新明，趙 君，劉國美，陳亞玲，龐 鵬)

(1.航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.北京計算機技術(shù)及應用研究所，北京 100854)

0 引言

飛機機電系統(tǒng)是飛機中執(zhí)行飛行保障功能子系統(tǒng)的總稱，主要包括燃油系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)等[1-3]。在目前飛機的分布式架構(gòu)中，遠程接口單元(簡稱RIU)扮演越來越重要的角色。遠程接口單元就近采集傳感器信號，通過總線將數(shù)據(jù)上傳到飛行管理計算機(VMC)，同時接收飛行管理計算機的指令，執(zhí)行相應的輸出和作動[4]。這種近端采集，遠端傳輸?shù)募軜?gòu)，顯著地減少了以往分布式架構(gòu)中點到點信號電纜的使用。這不僅增強了電纜的可靠性，還簡化了航空器電線互聯(lián)系統(tǒng)的安裝、維護和驗證[5]。為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，本文以ARM作為處理器，設(shè)計了一種雙余度遠程接口單元(簡稱DRIU)。DRIU具有雙余度飛管總線接口和雙余度輸入/輸出接口，雙余度同時工作實現(xiàn)了飛機機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、集中解算和分布式控制。經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)試試驗證明，DRIU可以顯著提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，具有一定的工程實用價值。

1 DRIU架構(gòu)

DRIU以ARM作為處理器，采用FPGA作為IO接口管理單元。FPGA、SRAM、FLASH、NVRAM等作為外設(shè)接在ARM的FSMC接口，ARM通過FMSC接口與外設(shè)進行數(shù)據(jù)交互。ARM處理器，內(nèi)部集成FPU，主頻高，具有DSP指令能力，片內(nèi)FLASH和RAM容量大，同時具備SPI、AD/DA、UART、CAN、FSMC等接口，易于開發(fā)和后續(xù)擴展。DRIU架構(gòu)見圖1。

圖1 雙余度遠程接口單元架構(gòu)

設(shè)計的DRIU具有以下技術(shù)特征：

1) DRIU是VMC總線環(huán)路上的數(shù)據(jù)終端，DRIU完成飛機機電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行輸出控制及與VMC之間的數(shù)據(jù)傳輸；

2) 每個DRIU均采用智能控制器實現(xiàn)模塊的輸入輸出接口控制和管理，并且可記錄和存儲DRIU產(chǎn)品信息和故障代碼,DRIU上電可根據(jù)外部機位識別其安裝位置；

3) 每臺DRIU配置了雙余度1394B遠程節(jié)點(RN)，DRIU通過1394B總線接口與VMC交聯(lián)，其應用層協(xié)議參考SAE AS5643，同時DRIU可通過1394B總線完成軟件加載；

4) 每臺DRIU以飛機管理系統(tǒng)總線周期為基準，實現(xiàn)DRIU內(nèi)部的輸入輸出統(tǒng)一進行管理和調(diào)度；

5) 每臺DRIU接口功能具備靈活的余度配置能力，可滿足系統(tǒng)對接口的單/雙余度需求；

6) 減少接口類型設(shè)計，通過不同接口間的組合可實現(xiàn)對飛機不同傳感器接口或負載的狀態(tài)監(jiān)測及控制；

7) 接口可進行靈活配置，節(jié)約接口數(shù)量。

2 余度方案設(shè)計

DRIU通過CCDL實現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)的實時共享，功能模塊故障后能進行數(shù)據(jù)重組，在周期任務(wù)內(nèi)完成從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、指令輸出的閉環(huán)控制流，具有較強的控制實時性的余度管理策略。

1) 雙余度之間數(shù)據(jù)實時共享，該架構(gòu)在雙余度之間設(shè)計雙向、高速、實時通訊總線，完成雙通道之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時在每個通道內(nèi)部設(shè)置緩沖區(qū)，完成每個周期內(nèi)的對方通道數(shù)據(jù)的存儲；

2) 通道內(nèi)功能模塊故障后進行故障隔離，該架構(gòu)在每個通道內(nèi)部，各功能模塊之間設(shè)置狀態(tài)監(jiān)控，在一個通道內(nèi)部，當任何一個功能模塊出現(xiàn)故障后，能快速、準確的定位，并進行隔離；

3) 產(chǎn)品功能故障時，雙通道依靠數(shù)據(jù)實時共享進行資源重組，建立正常的數(shù)據(jù)流通道，只要非故障功能模塊滿足一套完整的余度資源，則該架構(gòu)的產(chǎn)品就能完成系統(tǒng)功能。

根據(jù)交聯(lián)信號在DRIU內(nèi)部的不同交聯(lián)方式，設(shè)計了三種不同的余度方案策略，分為混合雙余度方案、全雙余度方案和總線雙余度方案。余度設(shè)計方案見圖2,交聯(lián)信號在DRIU產(chǎn)品內(nèi)部具有如下特點：

圖2 DRIU余度方案

1) 余度信號分別與兩個通道進行交聯(lián)，無冗余信號只與A或B通道交聯(lián)；

2) 每個通道獨立采集輸入信號；

3) 接口采集數(shù)據(jù)通過CCDL實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)發(fā)，兩個通道都可以獲取所有輸入數(shù)據(jù)；

4) 每個通道的CPU通過余度輸出策略完成輸出操作。

3 DRIU同步策略

DRIU內(nèi)部具有兩個信息處理通道，為了保證兩通道在進行比較時所使用的數(shù)據(jù)是同一時刻采到的數(shù)據(jù)，必須采用同步設(shè)計。

DRIU雙通道間的同步，采用軟/硬結(jié)合的雙握手同步算法，每個通道都設(shè)計了同步處理策略算法。

DRIU內(nèi)部ARM間采用雙握手同步方式，即通道I和通道II分別通過硬線1和硬線2向?qū)Ψ酵ǖ腊l(fā)送同步命令(TTL電平)，再分別通過硬線2和硬線1接收規(guī)定的應答信號，若發(fā)送與接收一致，則同步成功，該操作連續(xù)進行兩次(本通道寫1，讀另一個通道的1，本通道寫0，讀另一個通道的0)。采用兩次握手可以解決同步策略的恒“0”和恒“1”故障。

雙通道間的同步包括：上電同步和周期同步。

上電同步是在上電BIT后，進入實時處理前的同步，即上電/初始化模式結(jié)束進入正常工作模式之前，如果在約定的時間內(nèi)失步，則上電同步故障。

周期同步是實時處理過程中，即正常工作模式中，采集輸入信息前和輸出表決前進行的同步，如果在約定的時間內(nèi)失步，則周期同步故障。

4 DRIU軟件設(shè)計

DRIU控制軟件為DRIU提供硬件資源的配置、檢測、管理與控制功能，共包含3個子配置項：DRIU主控軟件、剎車系統(tǒng)控制軟件、1394B協(xié)議軟件。

各子配置項的功能概述如下：

1) DRIU主控軟件駐留在DRIU控制器上，可完成DRIU的上電初始化工作，為DRIU提供通過VMS總線從VMC下載數(shù)據(jù)的功能，并能周期向VMC上傳采集接口數(shù)據(jù)和接口PBIT結(jié)果、接收指令執(zhí)行輸出。DRIU主控軟件按功能劃分主要包括：初始化模塊、數(shù)據(jù)加載模塊、主控模塊；

2) 剎車系統(tǒng)控制軟件:駐留在DRIU控制器上，完成輪速信號、剎車壓力信號采集和電流輸出，實現(xiàn)剎車的閉環(huán)控制；

3) 1394B協(xié)議軟件駐留在DRIU控制器上，主要為DRIU提供RN初始化、總線數(shù)據(jù)接收、總線數(shù)據(jù)發(fā)送、狀態(tài)信息獲取和BIT等功能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM的雙余度遠程接口單元，經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)試試驗驗證，DRIU工作穩(wěn)定可靠，能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，具備一定的工程實用價值。