基于航空总线提高数据可靠性的设计与实现

摘要：现代芯片设计中，随着电子元器件的集成度不断地提高，新一代的航空电子综合系统对数据通信的可靠性要求也不断地提高，如实时雷达图像信号注入到数字地图系统、消息等待延迟等保证实时信息能及时交换、强的容错和重构能力要求系统消除可能存在危及整个系统生存的单点故障等，保证系统正常运转。本文介绍了几种常用的航空总线，并重点介绍了ARINC659总线在数据传输中关于提高数据可靠性的设计。
关键词：芯片设计；数据通信；航空总线；数据可靠性；ARINC659

    在航电系统中，数据总线是服务于航电系统的一个很重要的组成部分，它是航电系统个子系统的数据交换纽带，将所有的子系统链接在一起，从而实现航电系统内部各子系统的信息共享和综合化控制。随着航电系统的发展，在总线领域先后提过了一系列的规范和标准，对于数据总线传输可靠性的要求也在不断地提高。下面就几种常用的航空总线数传输方式分析介绍。

1 各种总线简介
1．1 ARINC 429总线
    该总线是利用MARK33的数字式信息传输系统，它将飞机的各系统间或系统与设备间通过双绞线互连起来，是各系统间或系统与设备间数字信息传输的主要途径，是飞机的神经网络。ARINC规范是在ARINCA29的基础上起草的，但又独立于ARINC419。过去许多航空设备采用的航空总线种类各异，很难互相兼容。现在飞机电子系统要求各机载航空设备使用同一的航空总线，方便系统集成。ARINCA29就是在这种需要下形成规范的。ARINC429具有接口方便、数据传输可靠地特点，目前已经是商务运输航空领域应用最广泛的航空电子总线。
    ARINCA29总线采用双角屏蔽线传输信息，通过一对双绞线反向传输，具有很强的抗干扰能力，而调制方式则采用双绞线归零制的三态编码方式、即信息由“高”、“零”和“低”状态组成的三电平状态调制。ARINCA29总线每一个字为32位，它的字同步是以传输周期至少4位的时间间隔也就是4位码字为基准的。
1．2 1553B总线
    该总线是一个时分制指令／响应多路传输数据的总线，是一个关于数据总线电器特性和协议规范的军事标准，这个标准规定了飞机内部数字式的命令／响应时分制堕落数据总线的技术要求，也对规定了多路数据总线的操作方式和总线上的信息流的格式以及电气要求。其作用是提供一个在不同系统之间的传输数据和信息的媒介。1553B总线具有很高的可靠性和灵活性，加之技术比较成熟，所以应用比较广泛。
    1553B数据总线以一种异步的、命令／响应方式执行，其传输将以半双工方式进行。数字数据的格式与本标准的消息和字格式相匹配。所有不使用的位，在传输时都应视为逻辑0。对于一个字的传输，MSB应当第一个传输对于多个字组合成德高精度数据传输时，最重要字的MSB应当第一个传输。数据在总线上是以序列脉冲码调制形式传输的，数据编码是双向的ManchesterⅡ码。
1．3 ARINC6519总线
    该总线是一个多节点多路串行通信总线，具有高数据完整性和很强的总线容错能力，它是未来我国新型飞机将采用的主要机载总线之一。ARINC 659总线是由双总线对组成的双一双配置，总线对A和B分别具有“x”和“y”两条总线。每一条总线(Ax、Ay、Bx和By)有各自的1条时钟线和2条数据线，每个时钟传送2个数据位，完整的总线组由12条线组成。

2 ARINC659总线中数据可靠性的设计
    数据传输采用表驱动均衡访问(TDPA)的通信机制，支持4条串行总线同时半双工传输和交叉检验的通信。数据为二进制32位形式，采用小次序，数据发送先发送最低位的数据。
    ARINC659总线在提高数据的可靠性设计中采用了双重保障机制：
    1)采用了主后备的传输机制，保证的数据的有效传输，采用主后备的消息机制用于多个备用源和单个目或多个目的情况，采用适当的裁决机制只允许主或后备源之一的发送器访问总线，一个后备只有在主和其他优先级比它高的后备发送器在预先确定的实践周期保持沉默时才在总线上发送。
    2)在发送数据时对4条总线的数据进行编码，如图1所示，提高数据传输的准确性。

    同时在接收数据时要对4条总线接收的数据进行解码并进行这样的比较验证数据的可用性与完整性：Ax=Ay，Bx=By，Ax=By，Bx=Ay，如表1所示，采用这样的差错检测机制，使接收数据的可靠性能够得到一定的保障。

3 ARINC659总线与电路板的数据通信的实现
    ARINC659总线接口芯片是一种集成了控制器、时钟电路、存储器、数据收发、校验、容错模块、脉冲发送、接收模块等的片上系统，是一款通用化和小型化的通信处理芯片。总体结构设计图如图2所示。

    发送方在进行数据发送的过程中使用编码对四条总线分别进行编码之后传输，通过一些列数据的处理之后接收方对接收的数据进行解码并检测数据的可靠性及完整性，如表1所示。

4 设计结果显示
    该系统的设计使用Verilog语言进行设计，使用了modelsim以及chipscope检测并验证数据传输中接收数据的可靠性，图3是抓取了在进行数据传输中当有一路数据传输发生故障时产生的波形图。

5 结论
    对系统的设计使用modelsim工具进行模拟仿真，设计中采用了双重的保障机制来保证系统运行当中数据传输的可靠性，在发送端对数据进行编码后发送并在接收端对接收的数据进行解码比较，通过对某一路或两路数据添加认为的干扰验证系统可以实现对一路及部分两路错误数据的更正，在数据的传输中有效的保证了数据的可靠性，为航电系统的发展提供了技术保证。