ARINC659總線測試系統設計

唐懷奎　李珊珊

摘 要：ARINC659總線是一個具有總線傳輸時間確定性的多節點串行通信總線，已成為新機航空電子系統內部各模塊之間的底板互聯標準。為滿足ARINC659總線上各模塊的測試修理需求，通過ARINC659總線通信環境的設計與驗證，完成ARINC659總線測試系統的設計研究。

關鍵詞：ARINC659總線;測試修理;設計與驗證

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0016-05

Design of ARINC659 Bus Test System

TANG Huaikui LI Shanshan

（Wuhu Machinery Factory， Wuhu Anhui 241000）

Abstract： The ARINC659 bus? is? a? multi-node serial communication bus with definite bus transmission time， which has become the standard of interconnection between the modules in the avionics system of new aircraft. In order to meet the test and repair requirements of ARINC659 bus， the design and verification of ARINC659 bus communication environment are carried out.

Keywords： ARINC659 bus;test and repair;design and verification

隨著新機航空電子系統綜合化、模塊化程度的日益提高，ARINC659總線作為模塊互聯的標準總線在航空電子系統大量應用。為測試機載產品內在各模塊通信過程中ARINC659總線數據的完整性和可靠性[1]，對其進行研究十分必要。本文通過ARINC659總線系統結構、各模塊間總線數據的傳輸機制、各模塊間總線數據的測試方法研究，完成ARINC659總線測試系統的設計研究，形成機載模塊的ARINC659總線數據測試修理能力。

1 ARINC659總線測試系統設計

ARINC659總線測試系統硬件部分由底板和節點模塊組成，先通過對總線數據傳輸的分析確定系統總體架構，再確定系統內每個節點模塊的具體架構，最終設計出符合項目需求的總線仿真測試系統。

1.1 ARINC659總線測試系統結構確定

ARINC659總線數據傳輸包括基本消息傳輸和主、后備消息傳輸。

1.1.1 基本消息傳輸。基本消息的傳輸分為點對點傳輸和廣播傳輸。基本消息用于各模塊間（點到點）的通信或單模塊到多模塊的通信，且在窗口剛開始時就開始傳輸數據。點到點傳輸的數據流圖如圖1所示，廣播傳輸的數據流圖如圖2所示。

1.1.2 主、后備消息傳輸。主、后備消息用于多個備用模塊（不能超過4個）到單個或多模塊的通信。由簡單的仲裁機制進行數據傳輸，且只有當主LRM以及其他高優先級的后備LRM在命令表預先規定的時間期內保持不發送數據時，后備的LRM模塊才開始向總線上發送數據。ARINC659總線只允許一個LRM模塊發送數據。

為使ARINC總線仿真測試平臺滿足兩種傳輸模式，系統設計由4個LRM模塊構成，其中配備3個獨立ARINC659總線接口模塊，提供1個擴展總線接口。

1.2 ARINC659總線模塊架構確定

ARINC659總線上的模塊一般由核心處理器模塊（主機）、ARINC659總線接口模塊以及基板組成，模塊功能框圖如圖3所示。核心處理器模塊主要負責數據處理;ARINC659總線接口模塊負責總線上的數據收發處理，每個節點的總線接口模塊通過內部外設部件互連標準總線控制器實現與核心處理器主機接口的連接，從而完成同主機間的信息交換。

1.3 ARINC659總線測試系統確定

根據總線系統架構和模塊架構，確定測試系統整體結構如圖4所示。

2 ARINC659總線數據通信環境開發

2.1 研究節點模塊應用層軟件開發方法

總線接口模塊的驅動與應用程序接口（Application Program Interface，API）軟件包提供底層通信數據訪問服務，為ARINC659總線通信的應用程序提供服務支持。ARINC659總線芯片要通過PCI總線完成與主機的通信，主機系統運行VxWorks嵌入式操作系統[2]。

應用層軟件分為嵌入式端軟件和主機端軟件。嵌入式端軟件通過以太網口接收主機接口用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）包并予以響應;主機端軟件通過以太網口接收UDP包并予以響應。

2.1.1 嵌入式端軟件。嵌入式端軟件運行于基于HKS289BRM芯片開發的VxWorks操作系統（版本5.5）上，包括處理軟件和伺服軟件兩部分。處理軟件用于完成處理主機控制命令、處理主機發送的數據、接收數據并上傳至主機等工作;伺服軟件用于和主機進行通信，內置數據緩沖池，包括接收緩沖和發送緩沖[3]。

嵌入式端軟件開發接口主要包括初始化、數據接收、數據發送、中斷使能以及中斷禁止。

接口使用順序：①掛接中斷服務程序;②初始化;③中斷服務程序中進行數據接收/發送。

中斷使能和禁止程序在中斷服務程序中調用。中斷服務程序中實現數據的接收/發送。應用軟件對數據進行處理。

2.1.2 主機端軟件。主機端軟件運行于Windows操作系統中，包括數據輸入/輸出模塊和數據收發模塊兩部分。數據輸入/輸出模塊用于讀取用戶數據并發送至數據收發模塊，同時從收發模塊獲取數據并輸出（顯示）;數據收發模塊用于通過以太網將用戶數據發送至嵌入式端軟件，同時從嵌入式端軟件接收數據。

主機軟件網絡通信接口主要包括：讀取主機心跳，主機端發送COMMUNICATEDATA_TEST數據包到中央處理器（Central Processing Unit，CPU），CPU會響應同樣格式的數據包到主機;配置659，主機端發送COMMUNICATEDATA_CONFIG數據包到CPU，CPU配置完成后會響應同樣格式但不包含配置數據的數據包到主機;發送659數據，主機端發送帶有發送數據的COMMUNICATEDATA_SEND數據包到CPU，CPU會將數據包內數據寫入發送緩沖區等待發送，然后響應同樣格式但不包含發送數據的數據包到主機;接收659數據，主機端發送不包含接收數據的COMMUNICATEDATA_SEND數據包到CPU，如果CPU接收到數據包，CPU會響應同樣格式但包含總線接收數據的數據包到主機;讀取659狀態，主機端發送不包含狀態數據的COMMUNICATEDATA_STATE數據包到CPU，CPU讀取659狀態，然后響應同樣格式但包含狀態數據的數據包到主機。

2.2 研究ARINC659總線配置工具

ARINC659總線配置工具是開發采用ARINC659總線的綜合模塊化航空電子系統的支持軟件，用于根據系統要求對系統內各節點間的通信和節點各任務進行配置和設置、自動生成總線命令表，從而建立系統綜合框架。ARINC659背板總線配置工具軟件具有項目管理、命令表管理、命令表生成、命令表仿真等功能，具體配置方法見《ARINC659命令表使用說明》。

3 ARINC659總線數據測試與驗證

依據相關標準，結合總線修理實際，制訂并實施ARINC659總線物理層和數據鏈路層測試方案，測試環境連接如圖5所示。

3.1 物理層測試

協議中對物理層的定義主要包括信號線描述、底板總線介質和連接器機械要求，以及底板和總線收發器電氣要求。總線接口和信號線如圖6所示，包括雙自檢總線對和端接器。總線上每個模塊中的4個收發器分別連接到4條獨立的總線中的一條。每條總線有3條信號線，分別為D0、D1以及Ck。

被發送的數據以兩位為單位進行劃分，兩位中的較低位在D0總線上發送，較高位在D1總線上發送。在消息間隙和同步脈沖期間沒有數據被發送。收發器/總線接口描述定義了底板總線上的模塊連接顯示的所有信號和操作，包括邏輯層、同步操作、數據傳輸協議及錯誤情況響應等。

3.1.1 電源分配測試。①數據總線收發器電源輸入線路。為數據總線收發器提供+3.3 V電壓，每個收發器1條，共有4條（Ax_33 V、Ay_33 V、Bx_33 V和By_33 V）。該電壓由各載板提供給收發器，信號標準值為+3.3 V±5%，測試結果如圖7所示。②數據總線端接器電壓線。為端接器提供+2.1 V電壓，每條總線1條，共有4條（Ax_Vt、Ay_Vt、Bx_Vt和By_Vt）。該電壓由底板提供給總線端接器，電壓標準值為+2.1 V±0.1 V，測試結果如圖8所示。

3.1.2 電氣性能測試。①模塊數據及時鐘線直流測試。高電平輸入電壓：信號線上的輸入電壓為+1.62 V或者更高時，均被解釋為邏輯“1”;與底板沒有電氣連接的信號線輸入也被解釋為邏輯“1”。低電平輸入電壓：向信號線上的輸入電壓為+1.47 V或是更低時，均被解釋為邏輯“0”。測試結果如圖9所示。②總線數據及時鐘線直流測試。建立時間和保持時間：至少應為6 ns，測試結果如圖10所示。時鐘對稱：底板上時鐘信號的占空比應該在40%～60%，測試結果如圖11所示。③總線編碼測試。4條總線上發送的數據需要進行編碼，數據編碼規則如下：AxD0/1正常數據電平（總線上邏輯1為高電平）;AyD0/1正常數據與{010101…}異或（每隔一位翻轉）;BxD0/1數據電平翻轉（總線上邏輯1為低電平）;ByD0/1正常數據與{101010…}異或（Ay線翻轉）。測試結果如圖12所示。

3.2 數據鏈路層測試

數據鏈路層分為介質訪問控制（Medium Access Control，MAC）子層和邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）子層。介質訪問協議基于在時間和空間上提供的TDPA協議，總線上的數據消息在預先確定的時間被傳送。總線時間被劃分為一系列的窗口，每一個窗口包含一個長度從32位到8 192位的消息或者一個重同步脈沖。表定義了每一個窗口的長度，以及哪個LRM在該窗口里進行發送、接收和無操作。總線傳輸時間表由恒定長度的周期幀組成，每個周期幀由多個獨立的窗口組成，通過嵌入在表存儲器中的協議層軟件控制正常的消息傳輸。每一個消息的源地址和目的地址包含在表存儲器中，而非通過總線傳送。

總線支持模塊到模塊（點到點）傳送，一個模塊到一組模塊（廣播）通信，以及可選（備用）的一個模塊到一組模塊的通信，有基本消息和主、后備消息兩種類型消息。基本消息用于單個源到單個或者多個目的的情況;主、后備消息用于有多個備用源和單個或多個目的的情況。主、后備的仲裁機制只允許主模塊或后備模塊之一獨占訪問總線，后備模塊只有在主模塊和優先級高于自身的后備模塊在預先確定的時間周期內保持靜默時才會獲得總線控制權。

底板總線活動由交替的消息和消息間隙組成的窗口構成，如圖13所示。每一個窗口占據LRM命令表中相應命令所規定的固定時間段。一個窗口可以包含一個數據消息、同步消息或空閑。

ARINC659協議數據鏈路層測試主要是測試被測設備輸出的各種總線操作及其時序波形，以及對出錯的總線時序波形的標識和處理是否符合ARINC659協議中的規定。測試過程中可使用示波器和邏輯分析儀監控總線上的波形，檢查各種總線操作時序波形是否符合協議規定。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控注入的故障是否有效，在注入有效的狀態下，檢查被測模塊的執行情況。ARINC659總線最核心的功能是時間同步、數據傳輸和容錯，因此主要對這些功能進行測試和驗證。

基于定制的ARINC659仿真測試平臺，將3個ARINC659模塊插入機箱底板內，利用網口/串口控制3個模塊間完成數據通信，并使用示波器或邏輯分析儀檢測總線上信號質量，使用上位機軟件監測發送/接收數據，測試結果如圖14和圖15所示。

4 結語

本文通過機載模塊特性和典型ARINC659總線系統結構研究，設計了ARINC659總線仿真測試平臺，實現了ARINC659總線通信仿真。在此基礎上從物理層和數據鏈路層對ARINC659總線的測試進行分析和研究，形成適用于機載模塊的ARINC659總線測試項目、測試方法和測試環境，為后續新機ARINC659底板總線上各機載模塊的測試修理奠定技術基礎。

參考文獻：

[1]楊廷善.測控系統總線綜述[J].測控技術，1999（5）：35-37.

[2]彭友銘，肖子楓，郭勐，等.CPCI總線與VME總線橋接底板的研制[J].計算機工程，2006（24）：247-250.

[3]張喜民，魏婷.ARINC 659背板數據總線應用研究[J].航空計算技術，2011（5）：105-109.

3229501908222