0 引言

    ARINC659 底板總線是一種具有總線傳輸時間確定性的多節點串行數據總線，支持魯棒的時間分區和空間分區，并以其特有的總線校驗機制，很好地解決了航空電子系統對于底板總線的高可靠性要求問題^[1-3]。在目前的航空數據總線中，ARINC659底板總線能夠為底板間數據通信提供最高級別的可靠性、完整性和余度等級^[3]。開展ARINC659底板總線協議分析和研究，對加速ARINC659底板總線系統在我國航空航天電子系統中的推廣應用，提高航空航天電子系統的底板數據通信的可靠性具有非常重要的意義^[4-5]。本文首先對ARINC659底板總線體系結構進行了介紹，在此基礎上重點分析研究了ARINC659底板總線協議^[6-7]，總結了ARINC659底板總線的技術特點及局限，并根據航空電子的發展趨勢，指出ARINC659總線的未來發展方向^[8-9]。

1 總線拓撲

    基于ARINC659底板總線的多個LRM所構成的航空電子綜合化系統的體系結構如圖1所示，多個在線可更換模塊（LRM）間通過ARINC659底板總線進行數據通信。數據總線由總線對A和B組成雙-雙配置，總線對A和B分別具有“x”和“y”兩條總線。總線上每一個LRM包括兩個總線接口單元（BIUx和BIUy），BIUx經由x總線發送數據，BIUy經由y總線發送數據，每個BIU接收所有4條總線。

2 總線協議分析

    ARINC659底板總線規范包括概述、技術說明、物理層定義、數據鏈路層協議、附件、附錄等6方面內容，概述了ARINC659底板總線規范的基本體系和與其他標準的關系，說明了ARINC659底板總線的基本結構、數據類型、出錯管理、測試和維護等技術特點，定義了接口信號、電氣性能、物理隔離、連接器引腳分配等物理特性，詳細規范了ARINC659底板總線的同步操作、消息操作、接收數據選擇和BIU/主機接口基本調用、調試等總線操作。

    ARINC659總線主要面向要求高可靠性、高確定性、強實時性的航空領域應用，其總線協議與傳統底板總線相比，具有以下突出特點：

    (1)物理層隔離和總線電平

    ARINC659總線的物理層協議通過定義一系列的物理隔離要求(包括BIU隔離、供電隔離和布線隔離)保證信號的完整性，來實現對總線物理故障的嚴格隔離。

    ARINC659在總線的傳輸電平選取了BTL電平標準，BTL電平輸出驅動擺幅降至1 V，廣泛用于背板傳輸領域。該電平支持獨立的總線地和基準地，可滿足總線物理故障的隔離要求。

    (2)總線編碼和拓撲結構

    ARINC659采用4條雙－雙備份的串行總線傳輸數據，在同一時刻，4條總線傳輸相同的數據，但總線編碼方式不同，這種總線編碼的優點：①4條線的平均直流和交流功率對于所有數據模式都是常數，這減少了對數據模式敏感的故障發生的可能性；②提供了輔助故障檢測，這種編碼機制可以檢測總線開路、短路以及固定電平故障；③B總線與A總線信號反向，使信號具有差分驅動特性，其反向的差分特性提供了良好的EMC特性。④通過將低頻轉變到高頻或是反過來可以檢測抖動差錯。ARINC659總線編碼規則如表1所示。

    在接收方，對解碼之后的數據按照不同總線對的組合進行比較，根據其定義的總線數據有效表來判斷有效的數據。通過雙-雙余度的設置，總線具有很強的容錯能力，能夠鑒別并糾正一路總線錯誤和大部分兩路總線錯誤，通過對總線故障的分析，對協議規定的可糾正故障可分類如表2所示。

    (3)同步機制和表驅動機制

    通過命令表中預先定義的同步消息，BIU實現狀態的切換和保持。為了實現不同BIU工作狀態間的同步，ARINC659協議定義了初始化同步、短同步和長同步3種同步消息，通過這3種同步消息來實現總線系統的位級同步和幀級同步，從而實現同一個LRM模塊的不同BIU之間以及不同的LRM模塊之間的總線同步。通過表驅動協議，保證數據傳輸時刻確定，不會出現總線沖突，無總線訪問等待時延。

    (4)實時熱備份機制

    ARINC659總線支持4余度實時熱備份，通過在命令表中定義主模塊、備份模塊1、備份模塊2、備份模塊3，當主模塊出現故障并在規定時間（Δ時間）內沒有完成總線傳輸時，可自動切換到備份1模塊進行傳輸；同理，如果備份1，備份2無法完成操作，則切換到備份2模塊及備份3模塊。通過主-備傳輸機制，進一步提高了總線的可靠性。

    (5)幀切換機制

    通常的航空應用通過協議提供的幀切換命令，可實現幀之間的控制和切換。有兩種不同類型的幀：版本幀和非版本幀。在版本幀中，底板總線上活動的所有BIU應該具有相同的表版本號。版本幀切換機制保證了所有處于同步狀態的BIU會根據接收到的幀切換消息中的版本信息位段與自己的表版本號作比較，如果版本號不一致，它就會失去總線同步。在非版本幀中，表版本號被忽略，只要一個LRM中的BIU對能夠與底板同步，它就能夠參與非版本幀。幀組織示例如圖2所示。

    在所有的總線應用中至少要有一個幀。在初始化同步完成后，總線上活動的模塊將會跳轉到一個非版本初始幀，此后這些模塊既可能永久停留在初始化幀，也可能轉入另一個由底板上某個LRM預先定義的幀。

3 協議的局限性

    由于ARINC659總線協議主要考慮到背板傳輸領域以及為系統提供高可靠性的安全傳輸，所以存在一定的局限性。首先，受到物理層電氣特性的限制，ARINC659總線底板的長度較短，一般不超過120 cm，只能用于機架內模塊間通信，機架之間的通信要通過網關和其他總線來完成，這對于航空電子系統中需要實現多個機架間冗余設計，以及多個冗余機架之間的總線時間同步造成一定影響。其次為了實現總線雙-雙余度功能，總線接口要求雙－雙配置，并且由于物理隔離的需要，底板總線的供電、短接都需要獨立完成，因此硬件成本較高。

    隨著航空電子系統綜合化的發展，航電設備內部模塊間的數據通信量也迅速增長，根據協議ARINC659總線支持的最高速率為60 Mb/s，在一些應用場合已無法滿足系統的通信需求，為了進一步提高ARINC659總線通信速率，需要對ARINC659總線高速通信機制以及物理層電平標準進行探索和研究。ARINC659總線協議擁有良好的容錯性及錯誤檢測機制，在使用完整性表的情況下，可保證數據的正確性，當使用可用性表時，有時無法區分總線錯誤，但數據可以被正常提交，此時可通過軟件在數據傳增加校驗位的方法，當使用可用性表并且發現總線有雙位錯時，采用軟件校驗機制對數據進行校驗，對數據的正確性進行進一步的判斷。

4 總結

    ARINC 659總線是滿足高可靠性需求的雙-雙余度配置的串行容錯總線，是構建機架式綜合模塊化系統(IMA)的關鍵技術之一。該總線在航空電子、空間飛行器電子、工業安全關鍵控制領域有廣泛的應用需求。國外已在波音777 AIMS(飛機信息管理系統)、波音737等民用飛機通用綜合航空電子系統成功應用。本文通過對總線協議的分析，根據航空電子系統在近年來的發展趨勢，總結了其協議特點和局限，并提出了未來發展方向，有利于促進該總線在我國航空、航天領域推廣和應用。

參考文獻

[1] CARPENTER T，DRISCOLL K，HOYME K，et al．ARINC659 scheduling：problem definition[R]．Real-Time System Symposium，1994：165-169.

[2] ARINC．Arinc project paper 664：Aircraft data network，part 7-avionicsfull duplex switched Ethernet(sfdx) network [Z]，2005.

[3] Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC specification659 backplane data bus[S].USA：Aeronautical Radio，Inc，1993．

[4] 張喜民.ARINC 659背板數據總線協議初探[J].電光與控制，2013，20(3)：93-97.

[5] 魏婷，張喜民．AＲINC659背板總線調試方法研究[J]．測控技術，2008，27（S0）：84-86.

[6] 許宏杰，田澤，郭亮，等.ARINC659芯片設計與實現關鍵技術研究[J].計算機技術與發展，2014，24(3)：26-30.

[7] 田澤，劉寧寧，郭亮，等.ARINC659底板數據總線及關鍵技術[J].計算機應用，2013，33(S2)：49－53，56.

[8] 強新建，田澤，淮治華.基于ARINC 659的FPGA原型驗證平臺的構建與實現[J].計算機工程與設計，2010，31(12)：2726-2728.

[9] 馬寧，李玲，田澤，等.ARINC659總線協議芯片的仿真驗證[J].計算機技術與發展，2010，20(1)：205-208.