設計基于FPGA實現的ARINC659總線的系統實時分析儀

摘 要： 隨著航空系統綜合化復雜度的增加，如何高效監控總線數據行為、實時對數據分析、進行故障診斷及定位是航空電子系統面臨的重要問題。提出一種基于FPGA開發的ARINC659總線分析儀設計方案，主要實現了ARINC659總線數據的監控、采樣、存儲及故障注入測試，可以通過通信接口將總線數據觸發實時分析并評估總線行為，為ARINC659總線數據實時分析提供了完善、可靠的測試手段。
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0 引言

航空電子系統綜合化的發展不斷提高，對系統的安全性、容錯性、實時性要求越來越高。底板總線是航空電子系統中各在線可更換模塊（LRM）間數據傳輸不可缺少的關鍵部分。航空系統綜合化復雜度的增加使得如何高效監控總線數據行為、實時對數據分析、進行故障診斷及定位成為航空電子系統面臨的重要問題。提供能觸發瞬態監控分析LRM之間通信狀態的系統將會大大提升航空電子系統維護效率，減少系統故障維護時間，對提升裝備維修性和可用性將發揮重大作用[1]。

本文提出了一種基于FPGA實現的ARINC659總線分析儀系統設計方案，可完成對ARINC659總線數據監測、故障注入、仿真測試等功能。

1 方案設計

1.1 傳輸機制

ARINC659是一種串行總線，采用4條串行總線通過半雙工通信與交叉校驗的通信方式，它減少了硬件電路，提高了可靠性。ARINC659是雙總線組成的雙雙配置，總線對A、B分別有“x”“y”兩條總線，每條總線都有一條時鐘線和兩條數據線，每次傳送2個數據位，完整的總線由12條線組成。

ARINC659采用雙總線交叉檢測容錯機制，接收到數據首先進行相應的解碼，根據接收到的數據有效性及解碼后的4條總線數據進行交叉(AX=AY、BX=BY、AX=BY、AY=BX)比較，比較結果根據調用可用性表或者完整性表判斷數據的有效性。

命令表主要完成總線的初始化、預譯碼命令，對系統內各節點間的通信和節點各任務的配置。

1.2 工作原理

總線分析儀與其他LRM模塊一樣都是掛接在ARINC659總線上，圖1為總線分析儀在系統中的應用，總線分析儀與系統中其他的LRM具有相同的總線命令表，如果總線分析儀被設置為分析模式，當系統上電總線開始進行數據通信，任何一個LRM向總線發送數據時，總線分析儀就開始全部接收總線上的數據，并將數據消息與同步消息進行分析處理，通過主機監控界面實時顯示總線數據的狀態，總線分析儀只接收總線上的數據，不對總線上的數據進行發送或者更改，ARINC659總線規定一個窗口只能有唯一一個發送器，或者后備發送器對總線進行數據發送，允許多個設備接收總線的數據，配置命令表配置總線分析儀只作為接收狀態?？偩€分析儀通過總線收發器接收總線數據并對總線數據采用240 MHz的時鐘頻率采樣，采集模塊對數據做前端處理后，傳送到處理器做總線協議解析與數據分析，通過以太網將總線狀態傳輸給應用層軟件，應用層對數據處理后通過GUI界面實時顯示總線狀態信息。當總線分析儀作為故障注入模式時，總線分析儀作為輸入設備對總線的數據進行斷路故障設置或者拉低故障設置對總線注入錯誤導致總線錯誤[2]。

總線分析儀上電初始化完全遵循ARINC659總線上電初始化與同步規范，上電初始化完成后處于監控總線狀態，將總線上的數據實時傳輸給主機完成總線數據的分析與顯示。

1.3 硬件設計

ARINC659總線分析儀主要由電源電路、復位電路、總線收發器電路、總線繼電器電路、數據采集單元(FPGA及配置電路)、CPU數據處理單元組成。如圖2功能框圖，數據采集單元完成總線數據的高頻數據采樣；CPU數據處理單元負責總線數據的處理與實時傳輸總線狀態到宿主主機。CPU數據處理單元要求具有一定存儲器的CPU模塊，具備PCI接口和以太網。

電源電路是整個系統的供電模塊，提供整個系統各芯片工作所需要的工作電壓。

復位電路采用手動復位、上電復位、軟復位3種復位方式實現系統復位機制。