ARINC659總線橋接的設計及對總線同步的影響分析

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(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

ARINC659總線橋接的設計及對總線同步的影響分析

劉偉偉,程博文,汪路元,于敏芳

(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)

ARINC659總線因其在時間和空間上均提供了完備的故障冗余和操作健壯性，已經逐漸在對數據通信確定性及故障沉默和屏蔽要求較高的航天領域中展開應用；為了使ARINC659總線能夠更好的適應航天器綜合電子系統的高度冗余容及分布式控制的需求，對一種能夠在不同設備中ARINC659總線之間相互橋接的技術進行了研究，進而實現分布式綜合電子系統中所有硬件模塊的統一時序規劃和通信調度，可以顯著提升系統中的資源共享、并行處理、故障冗余及分布式控制能力，同時也為關鍵系統中不同設備中的硬件模塊間實現嚴格的時序關系操作提供了一種解決方案；最后就橋接對ARINC659總線同步機制的影響進行了分析，據此提出了橋接設計的約束和實現規則。

ARINC 659；總線橋接；總線同步；信號偏斜；航天器；綜合電子

0 引言

星載綜合電子系統是航天器數據和信息管理的重要組成部分，對航天器功能的實現和性能的提升具有舉足輕重的低位，其設計方式和性能直接關系到整個航天器的安全性和可靠性、先進性以及成本消耗。為此星載綜合電子系統的設計在不斷向高集成度、輕小型化、低功耗方向發展的同時，也在致力于尋找一種方式既能夠有效的提升系統的通信確定性以及故障冗余和隔離等可靠性保障能力，也能夠充分利用軟硬件資源實現系統分布式控制以及降低航天器設計成本的機制。而設備背板總線作為各硬件模塊之間互聯和通信的橋梁，其功能性能的優劣以及連接方式好壞在機制實現過程中起到了十分重要的作用。

ARINC659總線是一種線性多節點半雙工通信的高可靠性標準背板總線[1]，基于時間觸發架構以及表驅動比例訪問(TDPA)協議[2-3]，在時間和空間上提供雙重的故障冗余和操作健壯性，具有高度的容錯性、可用性和完整性[4]，能夠滿足在高數據吞吐量、嚴格故障隔離、數據傳輸確定的電子系統中的應用[5]。正是由于ARINC659總線這種特性，使得它越來越多的應用于航空航天領域的關鍵系統及單機中。然而當前ARINC659總線僅局限于但設備內部應用，無法實現具有嚴格時序關系的多設備間的統一訪問，為此本文設計實現了一種能夠將不同設備的ARINC659總線進行互聯的橋接技術，實現綜合電子系統中所有硬件模塊的統一時序規劃和通信調度，最終達到提升綜合電子系統可靠性保證能力以及分布式控制和低成本設計的能力。

1 ARINC659總線架構

ARINC659總線是由雙總線對組成的雙——雙配置，總線對A和B分別具有“X”和“Y"兩條總線，同時每一個在線可更換模塊(line replaceable module, LRM)有2個總線接口單元，分別為BIUx和BIUy，BIUx經由X總線發送數據，BIUy經由Y總線發送數據，而每一個BIU均接收所有4條總線上的數據。另外，每一條總線(AX、Ay、Bx和By)有各自的1條時鐘線和2條數據線，每個時鐘傳送2個數據位，完整的總線組由12條線組成，具體如圖1所示。

圖1 ARINC659總線體系架構

ARINC659總線物理層采用BTL電平進行數據傳輸，在總線兩端設置終端上拉電阻以及終端電源，在總線空閑期間，總線中的各信號線保持高電平狀態，在總線傳輸數據期間，通過不斷的觸發BTL收發器導通來產生低電平信號。其中總線兩端的終端上拉電阻除了維持總線空閑狀態的電平以及在維持總線低電平所需的電流，更為重要的是與總線中各條傳輸線的特征阻抗匹配，以提升信號傳輸質量。

ARINC659總線通過幀描述語言(Frame Description Language)來實現鏈路層的表驅動比例訪問(TDPA)協議，所有ARINC659總線接口單元按照相同的TDPA程序運行，TDPA程序中的命令由若干幀組成，每個幀又被劃分為一系列窗口，窗口即為ARINC659總線進行數據傳輸和同步操作的最小通信單元。窗口可以分為數據窗口、空閑窗口、同步窗口3種，其中數據和空閑窗口的長度可以為32 bit到8 192 bit，同步窗口用于實現ARINC659總線上所有BIU之間的同步關系，根據同步類型的不同，由同步脈沖以及可選的同步消息組成，其中同步脈沖為一個大約5 bit的低電平脈沖。在實際運行過程中，TDPA程序中每一個窗口不僅定義了窗口的長度，發送者以及接收這，還定義了發送和接收數據的存儲地址，從而使總線上不必再傳輸額外的長度和地址信息，既節約了消息地址域耗用的帶寬，也消除了在傳輸過程中可能的地址錯誤[6-7]。

2 ARINC659總線橋接設計

2.1 ARINC659總線橋接應用需求

ARINC659總線作為設備背板總線，僅能夠完成對設備內部硬件模塊之間的連接和數據通信。在航天器綜合電子系統中，為了實現分布式的控制和就近布局的需求，通常包含多臺不同的電子設備，這些設備不得不單獨配置處理器或控制器，也不得不單獨配置ARINC659總線，一方面增加了系統的處理器資源開銷，另一方面也無法實現不同設備間的同步調度操作，難以達到系統的優化資源配置和嚴格的時序操作序列。因此在設備之間實現ARINC659總線的橋接，將不同設備中的ARINC659總線通過“虛擬背板”總線進行連接，將整個綜合電子系統的所有ARINC659總線看作一條ARINC659總線進行統一的時序規劃和同步處理就顯得非常有必要。

1)ARINC659總線橋接能夠滿足關鍵系統中存在嚴格時序關系的操作。在電子設備單獨設置ARINC659總線時，各總線之間獨立運行和調度，即使將所有的ARINC659總線上的通信節點配置相同的表程序，也很難保證不同設備中的ARINC659總線之間的同步關系，也就很難保證設備之間嚴格的時序序列操作，通過總線橋接，將所有的ARINC659總線統一規劃和調度，系統中的所有硬件模塊相當于運行于一條ARINC659總線上，借助ARINC659總線的時間確定性，可以很容易滿足嚴格時序系列的操作要求。

2)ARINC659總線橋接能夠增強綜合電子系統的冗余容錯能力。盡管在綜合電子系統的電子設備中的硬件模塊均設置了冗余備份措施，然而仍然不能排除設備中冗余處理器均故障的情況，通過ARINC659總線的橋接以及適當的總線時序規劃，故障設備中的其余硬件模塊即可非故障設備中的處理器模塊接管，實現任務的無縫遷移和故障的沉默恢復，提升冗余容錯能力以及系統硬件模塊的資源利用率。

3)ARINC659總線橋接能夠實現系統中軟硬件資源的共享。通過ARINC659總線橋接，處理器不僅能夠訪問和控制本機中的硬件模塊資源，也可以訪問和控制其他設備中的硬件模塊資源，實現處理器以及硬件模塊的軟硬件資源的共享和充分利用，并實現硬件模塊的分布式控制，同時也可實現降低軟硬件資源的配置數量，降低設計成本。

4)ARINC659總線橋接技術能夠實現多并行計算與任務處理。通過ARINC659總線橋接，所有處理器資源運行于一條虛擬的背板總線上，通過全局的時序規劃可以實現所有處理器在相同步調下實現同一任務的并行計算和處理，減緩對單一處理器的壓力，增強系統性能。

2.2 ARINC659總線橋接設計方案

ARINC659總線的多點連接架構及其單線傳輸方式使得信號質量受信號反射的影響較大，而信號的反射與信號線阻抗的連續性密不可分，如果直接將所有設備的ARINC659總線簡單的連接在一起，那么背板PCB與連接電纜之間的阻抗差異和長線傳輸的分布式電容及電感影響將會使得信號質量嚴重變差，甚至使ARINC659總線無法正常運行。因此本文對橋接的實現仍舊以保持各設備內部完整的ARINC659總線為基礎，通過信號轉換后的“虛擬背板”將各個分段的ARINC659總線橋接在一起。具體實現方式如圖2所示。

圖2 ARINC659總線橋接技術實現示意圖

通過虛擬背板對ARINC659總線進行橋接時，首先通過ARINC659總線收發器將本機的總線信號轉換為TTL電平，再通過LVDS驅動器轉換為差分信號作為“虛擬背板”信號進行傳輸。在虛擬背板另一端，首先通過LVDS接收器將“虛擬背板”差分信號后轉為TTL信號，再通過ARINC659總線收發器將信號驅動到這個設備的ARINC659總線上，進而實現兩條獨立ARINC659總線之間的互聯互通。

在正常的ARINC659總線操作中，每個LRM中的BIUx與BIUy具有通過相互“捂嘴”(即BIU互相對對方的總線收發器使能信號進行控制)的功能實現故障沉默，也就是任意一個BIU的故障都不會將錯誤的數據送到ARINC659總線上而影響總線上其他模塊間的通信，從而提升總線確定性和可靠性。為了在ARINC659總線橋接設計中保留 “捂嘴”功能，保證單一BIU的故障不影響總線操作，將同一設備中各硬件模塊BIU對收發器的使能信號引出，并經過“與”操作后由LVDS驅動器送到對方設備中，將其轉換為TTL信號后送到對應的總線收發器上，實現本機設備BIU對另一設備中橋接的總線收發器使能控制。

同一設備內部所有BIU的使能信號的“與”操作必須考慮LRM之間的冷/熱冗余備份關系，為了保證冷備份LRM的使能信號不至于使“與”操作電路的輸入產生不定態信號而影響電路功能以及不會對冷備份的LRM產生串電影響，“與”操作電路無法使用簡單的集成芯片實現，為此設計中通過光電隔離器件或分離的晶體管組成開關電路實現所有使能信號的“線與”操作。另外，為了增強橋接電路的可靠性，在實際應用過程中可對“線與”電路中的器件進行串并聯處理，也可對每臺設備中對虛擬背板橋接模塊設置雙冗余冷備份處理，增強橋接電路在復雜空間環境中的可靠性。

圖3 線與電路示意圖

3 橋接對ARINC659總線同步機制影響分析

3.1 ARINC659總線同步機制

ARINC659總線上所有BIU運行相同的TDPA程序，為了保證BIU間執行TDPA程序的步調一致而不至于出現總線運行混亂的情況，必須有一種同步的機制使得所有BIU處于同步狀態。為此ARINC659總線提供了3種不同形式的同步消息來實現位級以及幀級的同步，3種同步消息分別為初始同步消息、長同步消息、短同步消息：

1)初始同步消息由初始同步脈沖和長同步消息組合而成，用于在上電后或者整條總線范圍出現失同步反常現象時初始化總線，使得所有的BIU能夠重新從表程序的起始位置開始運行，重新建立所有BIU間的同步關系；

2)長同步消息由長同步脈沖和同步消息組成，同步消息的功能和種類有兩種，一種為入口重同步消息用于將失去同步的BIU重新和總線上處于同步的BIU之間建立同步關系，并使失去同步的BIU從同步消息指定的表程序位置開始執行；另一種是幀變換消息用于控制所有的BIU從TDPA程序中當前正在執行的幀程序切換到另一個幀程序執行；

3)短同步消息實是一個大約持續5 bit長度的同步脈沖，用于糾正晶振的漂移來維持BIU間的位級同步以及鄰近消息之間的消息間隔。

由于短同步消息為一個同步脈沖，因此無法對BIU執行TDPA程序產生影響，而僅能提供位級同步，而初始同步消息和長同步消息則可提供幀級同步，能夠對BIU執行TDPA程序的位置產生影響，實際上，由于初始同步和長同步消息中包含同步脈沖，因此在提供幀級同步的同時，也可提供位級同步。通過ARINC659總線的位級同步即可保證所有處于同步狀態的BIU按照統一的步調運行，并及時糾正BIU間的同步差異，從而實現保證同一個LRM中的BIUx和BIUy之間的信號偏斜小于2比特時間(tbit)，以及保證總線上任意兩個相鄰消息之間的間隔不會為零，在TDPA程序中消息間間隔由GAP值定義，大小可在2比特到9比特之間進行選擇。

同步消息在傳輸的過程中，不可避免的要受到元器件及傳輸線等引起的信號偏斜的影響，通過ARINC659總線的運行以及同步機制可以看出，如果信號偏斜對同步消息的影響較大，那么將導致BIU間執行TDPA程序的一致性受到影響，嚴重時將出現不同BIU發送的消息在總線上交疊的現象，最終導致數據以及同步消息的錯誤，使BIU無法正常處于同步狀態，也就使整條ARINC659總線無法正常運行。因此，在實際工程設計中必須考慮信號偏斜的大小，并據此優化ARINC659總線的設計。

3.2 ARINC659總線中信號偏斜分析

信號偏斜的產生包含多種因素，包括元器件的傳輸延遲、傳輸線的傳輸延遲以及晶振漂移等原因。根據信號偏斜產生的機制不同以及對ARINC659總線影響的不同，將ARINC659總線中的信號偏斜分為空間信號偏斜、時間信號偏斜、XY信號偏斜：

1)空間信號偏斜(Sskew)：由每個LRM或BIU處于背板的不同位置而引起的信號偏斜，與背板的長度、LRM的等效電容、LRM間的間隔、背板電氣特性、信號傳輸速度等有關，由于在系統設計完畢后以上影響因素等參數也就固定下來，因此空間信號偏斜不隨時間的變化而變化；

2)時間信號偏斜(Tskew)：兩個LRM處于背板的同一位置，由信號在兩個LRM中經過不同元器件產生不同的傳輸延遲以及晶振漂移產生的信號偏斜，與背板到收發器間信號路徑的不同、不同總線收發器產生偏斜的不同、收發器與BIU間信號線路徑的不同、晶振漂移的不同，不同BIU輸入緩沖器引起偏斜以及同步操作的精度等有關；由于時間信號偏斜受晶振漂移影響，因此會隨時間的變化而逐漸變大；

3)XY信號偏斜(XYskew)：同一個LRM中BIUx和BIUy間的時間偏斜，受收發器和BIU間信號線的不同引起的偏斜、兩個BIU緩沖器引起的偏斜、晶振漂移及同步操作精度等影響；由于XY信號偏斜也受晶振的漂移的影響，因此會隨時間變化而逐漸變大。

時間信號偏斜以及XY信號偏斜均受晶振漂移的影響，其大小會隨著時間而不斷增大，因此在一次同步操作剛剛結束時，時間信號偏斜和XY信號偏斜的值為最小，但是受到信號傳輸路徑的不同，以及收發器和BIU等延遲不同，時間信號偏斜和XY信號偏斜的最小值都不可能為零，這個初始的最小值可由時間同步誤差和XY同步誤差進行描述：

1)時間同步誤差(Terror)：同步操作剛結束時初始的時間信號偏斜，將兩個LRM放置在總線的同一個位置，使它們在同步操作后以最小的GAP間隔立即輪流傳輸長度為1個字的消息，兩個窗口間第一個時鐘下降沿之間的時間與窗口實際長度的差值可以看做是時間同步誤差；

2)XY同步誤差(XYerror)：同步操作剛結束時存在的初始XY信號偏斜，可在同步操作后以最小的GAP間隔立即開始消息傳輸，測量X總線(Ax和Bx總線)和Y總線(Ay和By總線)上消息數據對應的第一個時鐘下降沿間的時間差來獲得XY同步誤差。

圖4 時間同步誤差測量示意圖

圖5 XY同步誤差測量示意圖

由于晶振的漂移，時間信號偏斜以及XY信號偏斜是在時間同步誤差和XY同步誤差的基礎上隨時間變化的一個函數，考慮不同BIU晶振的漂移在最壞的情況下為漂移方向相反，那么可以通過等式1和等式2計算時間信號偏斜和XY信號偏斜的大小，其中Cerror為晶振漂移率。

Tskew(t)=Terror+2×Cerror×t

(1)

XYskew(t)=XYerror+2×Cerror×t

(2)

在實際系統中，每個LRM之間實際是以一定的間隔位于ARNC659總線的不同位置，那么將空間信號偏斜考慮進去，可通過等式3獲得ARINC659總線上總的信號偏斜Askew。

Askew(t)=Tskew(t)+Sskew

(3)

3.3 橋接對同步機制影響分析

對于BIUx和BIUy之間的信號偏斜小于2比特時間需求，也就是XYskew小于2比特時間，根據等式2可以得到：

XYerror+2×Cerror×Tsync<2×tbit

(4)

在等式(4)中，將時間t以Tsync代替，Tsync為ARINC659總線的同步周期。根據等式(4)可以看出，XY信號偏斜的大小僅取決于同步周期和晶振漂移率，而與總線的長度以及空間信號偏斜無關。而ARINC659總線橋接所實現的正是將多個獨立的ARINC659總線連接在一起，相當于將總線的長度拉長，但是并不會對時間相關的信號偏斜產生影響，也就是總線橋接不會對XY信號偏斜產生影響。

對于ARINC659總線上任意兩個相鄰消息間的間隔不能接近零的需求，存在一種最差的情況就是位于總線一端的LRM發送消息結束時，位于總線的另一端的LRM開始發送消息，但是在發送之前必須保證前面那個LRM發送的消息的最后一比特已經在整個總線上傳輸完成，而在總線上傳輸完成也就意味著經歷了一次空間信號偏斜，因此得出Askew+Sskew

(5)

在等式(5)中，同樣將時間t以Tsync代替，同時可以看出，空間信號偏斜Sskew的大小與GAP值Tgap的選取以及同步周期Tsync的選取密切相關，而Tgap值的選擇存在最大值限制，同步周期Tsync也要以不能影響正常的數據消息窗口傳輸前提，因此Tsync的選擇存在最小值限制，也就是說空間信號偏斜Sskew存在最大值的限制。ARINC659總線橋接最為直接的影響就是增大了整條虛擬的ARINC659總線的長度，也就增大了空間信號偏斜Sskew，因此空間信號偏斜Sskew會對Tgap以及Tsync的選擇產生影響，相反地，最大的Tgap以及最小的Tsync也就決定了ARINC659總線橋接實現的可行性，如果最大的Tgap以及最小的Tsync的仍不能滿足等式5中對Sskew的要求，則說明ARINC659總線橋接時無法實現的。

4 實驗結果與分析

通過在綜合電子系統的兩臺設備之間建立ARINC659總線橋接實現對橋接技術的可實現性以及對同步的影響進行驗證。橋接后總的ARINC659總線的最大長度小于5米，橋接電纜及PCB、元器件引入總的空間信號偏斜約為115 ns。

為了確保ARINC659總線橋接的最大可實現性，Tsync選擇為最小可能周期，也就是在每個數據消息窗口后面都設置一個同步消息，其中最長的數據消息長度為1024字節，因此最小的Tsync為((1024×8)÷2)×tbit+2×Tgap。初始同步時間誤差僅與信號路徑不同有關且最大為1比特時間，所使用的晶振漂移率為50 ppm。根據等式5可以得出消息間間隔大小Tgap必須大于277 ns(也就是Tgap值須大于8.3 bit時間)。

在測試過程中分別設置不同的Tgap值進行ARINC659總線通信測試，當將Tgap值選擇最大值9 bit以及8 bit時橋接后的ARINC659總線能夠正常進行通信，由此驗證了所設計的ARINC659總線橋接技術和設計方案是可行且是可實現的。另外，Tgap的值可為8 bit的主要原因是初始同步誤差Terror以及晶振漂移率在實際應用過程中的測試比較困難，因此計算過程直接以最大值或標稱值進行計算，因而引入的計算誤差導致計算出的需求Tgap值偏大，然而對于工程應用而言，計算出的Tgap值偏大有利于實際應用時ARINC659總線具備一定的時序裕量，便于彌補通信電路以及元器件受環境及溫度影響產生的參數漂移。

5 結束語

針對航天器綜合電子系統設備間背板總線橋接的需求，本文提出的通過虛擬背板實現ARINC659總線橋接的方案具有較強的可行性和工程適用性，與此同時在對ARINC659總線運行和同步機制的基礎上，對ARINC659總線中存在的各種信號偏斜進行了深入分析，并就總線橋接對信號偏斜的影響以及對總線設計中各參數選擇的影響進行了分析，并給出計算參考公式，不僅可用于驗證ARINC659總線橋接的可實現性，也可優化對GAP值以及同步周期的選取。為實現航天器綜合電子系統的一體化設計以及并行計算和分布式控制提供了一種解決方案，在航天器研制中具有十分重要的推廣意義。

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DesignofARINC659BusBridgingandEffectAnalysisofBridgingtoBusSynchronization

Liu Weiwei, Cheng Bowen, Wang Luyuan, Yu Minfang

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

With the characteristic of complete fault redundancy and operation robustness in both time and space， ARNC659 bus has been gradually adopted by aerospace which has high requirement of communication certainty as well as fault silence and insulation. In order to make the ARINC659 bus can better adapt to the demand of highly redundant and distributed control in spacecraft integrated avionics, this paper achieves a bridging technology that can connect the ARINC659 bus among different devices, so as to achieve unified timing planning and communication scheduling of all hardware modules of distributed integrated avionics. This improves significantly the ability of avionics in resource sharing and parallel computing and fault tolerance, and also provides an approach to operate between modules within different devices of pivotal system with strict temporal relationship. Finally, the effect of bus bridging to bus synchronization are analyzed, and puts forward design constraints and implementation principle during design of bus bridging.

ARINC 659；bus bridging；bus synchronization；signal skew；spacecraft；integrated avionics

2017-04-09；

2017-05-18。

劉偉偉(1985-)，男，山東東營人，碩士研究生，工程師，主要從事航天器綜合電子、空間數據及信息系統等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0129-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.033

TP3

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