设计基于FPGA实现的ARINC659总线的系统实时分析仪

摘 要： 随着航空系统综合化复杂度的增加，如何高效监控总线数据行为、实时对数据分析、进行故障诊断及定位是航空电子系统面临的重要问题。提出一种基于FPGA开发的ARINC659总线分析仪设计方案，主要实现了ARINC659总线数据的监控、采样、存储及故障注入测试，可以通过通信接口将总线数据触发实时分析并评估总线行为，为ARINC659总线数据实时分析提供了完善、可靠的测试手段。
 

航空电子系统综合化的发展不断提高，对系统的安全性、容错性、实时性要求越来越高。底板总线是航空电子系统中各在线可更换模块（LRM）间数据传输不可缺少的关键部分。航空系统综合化复杂度的增加使得如何高效监控总线数据行为、实时对数据分析、进行故障诊断及定位成为航空电子系统面临的重要问题。提供能触发瞬态监控分析LRM之间通信状态的系统将会大大提升航空电子系统维护效率，减少系统故障维护时间，对提升装备维修性和可用性将发挥重大作用[1]。

本文提出了一种基于FPGA实现的ARINC659总线分析仪系统设计方案，可完成对ARINC659总线数据监测、故障注入、仿真测试等功能。

1.1 传输机制

ARINC659是一种串行总线，采用4条串行总线通过半双工通信与交叉校验的通信方式，它减少了硬件电路，提高了可靠性。ARINC659是双总线组成的双双配置，总线对A、B分别有“x”“y”两条总线，每条总线都有一条时钟线和两条数据线，每次传送2个数据位，完整的总线由12条线组成。

ARINC659采用双总线交叉检测容错机制，接收到数据首先进行相应的解码，根据接收到的数据有效性及解码后的4条总线数据进行交叉(AX=AY、BX=BY、AX=BY、AY=BX)比较，比较结果根据调用可用性表或者完整性表判断数据的有效性。

命令表主要完成总线的初始化、预译码命令，对系统内各节点间的通信和节点各任务的配置。

1.2 工作原理

总线分析仪与其他LRM模块一样都是挂接在ARINC659总线上，图1为总线分析仪在系统中的应用，总线分析仪与系统中其他的LRM具有相同的总线命令表，如果总线分析仪被设置为分析模式，当系统上电总线开始进行数据通信，任何一个LRM向总线发送数据时，总线分析仪就开始全部接收总线上的数据，并将数据消息与同步消息进行分析处理，通过主机监控界面实时显示总线数据的状态，总线分析仪只接收总线上的数据，不对总线上的数据进行发送或者更改，ARINC659总线规定一个窗口只能有唯一一个发送器，或者后备发送器对总线进行数据发送，允许多个设备接收总线的数据，配置命令表配置总线分析仪只作为接收状态。总线分析仪通过总线收发器接收总线数据并对总线数据采用240 MHz的时钟频率采样，采集模块对数据做前端处理后，传送到处理器做总线协议解析与数据分析，通过以太网将总线状态传输给应用层软件，应用层对数据处理后通过GUI界面实时显示总线状态信息。当总线分析仪作为故障注入模式时，总线分析仪作为输入设备对总线的数据进行断路故障设置或者拉低故障设置对总线注入错误导致总线错误[2]。

总线分析仪上电初始化完全遵循ARINC659总线上电初始化与同步规范，上电初始化完成后处于监控总线状态，将总线上的数据实时传输给主机完成总线数据的分析与显示。

1.3 硬件设计

ARINC659总线分析仪主要由电源电路、复位电路、总线收发器电路、总线继电器电路、数据采集单元(FPGA及配置电路)、CPU数据处理单元组成。如图2功能框图，数据采集单元完成总线数据的高频数据采样；CPU数据处理单元负责总线数据的处理与实时传输总线状态到宿主主机。CPU数据处理单元要求具有一定存储器的CPU模块，具备PCI接口和以太网。

电源电路是整个系统的供电模块，提供整个系统各芯片工作所需要的工作电压。

复位电路采用手动复位、上电复位、软复位3种复位方式实现系统复位机制。