綜合多任務(wù)高可靠容錯計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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摘要:為了滿足高性能飛行器安全可靠的需求，容錯計(jì)算機(jī)因其有效的故障處理機(jī)制得到了廣泛應(yīng)用。然而，基于傳統(tǒng)架構(gòu)的容錯技術(shù)由于硬件資源的不合理配置會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)重量和體積的成倍增加。綜合化的容錯計(jì)算機(jī)使用ARINC659總線及相關(guān)軟件進(jìn)行故障檢測、隔離，并將航電分系統(tǒng)和機(jī)電分系統(tǒng)綜合管理和控制，從而有效解決了故障處理和硬件資源的優(yōu)化問題，測試結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)較好地完成了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞:容錯計(jì)算機(jī);ARINC659總線;綜合化;多任務(wù)

引言

隨著飛行器應(yīng)用日益廣泛，功能不斷增強(qiáng)，研制生產(chǎn)和使用維護(hù)成本不斷提高，裝載了昂貴任務(wù)設(shè)備的高性能飛行器有必要使用容錯計(jì)算機(jī)［1］，從而提高電子設(shè)備的可靠性。而在航空領(lǐng)域，容錯計(jì)算機(jī)主要的應(yīng)用背景是飛行控制系統(tǒng)，它無論在商用飛機(jī)還是軍用飛機(jī)上都得到了廣泛應(yīng)用。但是，基于容錯計(jì)算機(jī)的冗余技術(shù)需要成倍的硬件資源，隨著元器件數(shù)量的激增，維修難度和費(fèi)用會大大增加，為了解決這一問題，傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)需要向飛機(jī)管理系統(tǒng)發(fā)展，使多種功能綜合起來，并置于整個(gè)系統(tǒng)的管理之下以節(jié)約硬件資源［2］。新一代綜合化航空電子系統(tǒng)中，在線可更換模塊(LRM)之間通過背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［3］。為滿足航空電子系統(tǒng)可靠性、高故障容忍度、高完整性要求，Honeywell公司在其參與設(shè)計(jì)開發(fā)的波音777項(xiàng)目中，基于已有的工業(yè)背板總線定義了ARINC659總線，并被美國航空電子工程師協(xié)會(AEEC)采納成為標(biāo)準(zhǔn)。

1ARINC659總線基本結(jié)構(gòu)

ARINC659總線是基于時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)的容錯串行總線［4］，其雙-雙余度配置支持魯棒的時(shí)間分區(qū)和空間分區(qū)，是綜合化、模塊化航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。ARINC659總線作為一種背板數(shù)據(jù)通信協(xié)議，用于機(jī)架內(nèi)LRM之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，具有高度的可靠性和故障容錯性［5］，其體系結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系如圖1所示。由圖1，ARINC659總線上可以掛2個(gè)或多個(gè)LRM，每個(gè)LRM有2個(gè)總線接口單元BIUx和BIUy，每個(gè)BIU接收4路總線Ax、Ay、Bx、By的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼［6］，然后進(jìn)行交叉驗(yàn)證(Ax=Ay、Bx=By、Ax=By、Ay=Bx)，4個(gè)信號對用于差錯檢測，使得總線的容錯優(yōu)于傳統(tǒng)的雙-雙余度，而復(fù)雜性小于傳統(tǒng)的4余度。來自同一個(gè)BIU的數(shù)據(jù)具有物理相關(guān)性，因此不能比較來自于同一個(gè)BIU(Ax和Bx、Ay和By)的數(shù)據(jù)。ARINC659總線時(shí)間和空間的堅(jiān)固性劃分通過表驅(qū)動比例訪問(TDPA)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，總線時(shí)間被劃分為一系列的窗口，每個(gè)窗口包含一個(gè)LRM，在安排給該窗口的時(shí)間里發(fā)送、接收和忽略總線。操作命令預(yù)先存儲在表存儲器里［7］，總線操作按照預(yù)定的時(shí)間命令表進(jìn)行。表命令里定義了每一個(gè)窗口的長度、發(fā)送的LRM、接收的LRM、同步地址等信息，執(zhí)行完一條命令后要插入時(shí)間間隙再去執(zhí)行下一條命令，從而降低地址傳輸過程中的錯誤率。

2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

容錯計(jì)算機(jī)用于飛行器航電/任務(wù)分系統(tǒng)和機(jī)電分系統(tǒng)的核心處理，主頻不小于200MHz，通過GJB289A總線(單總線雙余度)、RS422總線(12路輸入，10路輸出)、離散量(14路輸入，4路輸出)、模擬量(7路輸入)等接口對航電、機(jī)電的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行管理和控制，具體的交聯(lián)關(guān)系如圖2所示。基于圖2的交聯(lián)關(guān)系以及可靠性、安全性的工作要求，容錯計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為雙余度配置，二次電源轉(zhuǎn)換模塊、處理器模塊、接口模塊均為雙余度，且雙余度通道為主備工作方式，正常工作時(shí)由主通道輸出，主通道故障時(shí)切換到備份通道輸出，保證系統(tǒng)的一次故障工作要求。物理功能劃分上，容錯計(jì)算機(jī)內(nèi)部包括3種標(biāo)準(zhǔn)模塊:2塊通用處理模塊(CPM)、2塊通用串行總線及接口模塊(BIM)、1塊電源模塊(PSM)，CPM模塊主要實(shí)現(xiàn)航電/任務(wù)管理功能、機(jī)電管理功能;BIM模塊主要實(shí)現(xiàn)外部接口信號的采集、管理、輸出控制;PSM模塊由2個(gè)功能、物理上均獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換模塊組成，用于向功能模塊提供所需的輸入電壓;母板模塊由功能模塊信號連線區(qū)、系統(tǒng)信號接線區(qū)及撓性板組成，用于實(shí)現(xiàn)容錯計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的接口連接、各功能模塊之間的ARINC659總線通信，背板總線傳輸速率可達(dá)60Mb/s，具體的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示?；谏鲜龇治觯O(shè)計(jì)的容錯計(jì)算機(jī)通過共用總線、接口以及機(jī)箱來減少體積、重量，完成多任務(wù)綜合管理功能的同時(shí)對雙余度的硬件資源進(jìn)行了合理配置。

3軟件配置

容錯計(jì)算機(jī)軟件配合硬件完成航電分系統(tǒng)、機(jī)電分系統(tǒng)控制與管理的基本功能，根據(jù)硬件雙余度結(jié)構(gòu)和軟件功能，將計(jì)算機(jī)軟件劃分為4個(gè)配置項(xiàng):總線接口模塊(BIM)軟件、通用處理模塊(CPM)系統(tǒng)軟件、任務(wù)管理(MMS)軟件、機(jī)電管理(UMS)軟件，具體的軟件配置接口關(guān)系如圖4所示。其中，BIM軟件和CPM系統(tǒng)軟件的物理接口為659總線存儲器，CPM系統(tǒng)軟件選用VxWorks操作系統(tǒng)，并與MMS軟件、UMS軟件通過應(yīng)用接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)融合，容錯計(jì)算機(jī)的軟件功能與4個(gè)配置項(xiàng)的關(guān)系為:1)啟動:完成系統(tǒng)初始化等功能，由BIM軟件中的初始化功能、CPM系統(tǒng)軟件中的初始化功能實(shí)現(xiàn)。2)接口管理:完成整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出，由BIM軟件中的數(shù)據(jù)輸入輸出、GJB289A總線管理、659總線接收發(fā)送功能和CPM系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)輸入輸出功能實(shí)現(xiàn)，且BIM軟件的數(shù)據(jù)輸出需根據(jù)CPM系統(tǒng)軟件的命令進(jìn)行。3)任務(wù)控制與管理:完成任務(wù)系統(tǒng)的控制與管理，由MMS軟件實(shí)現(xiàn)。4)機(jī)電控制與管理:完成機(jī)電系統(tǒng)的控制與管理，由UMS軟件實(shí)現(xiàn)。5)BIT功能:用于檢測硬件單元功能與性能，包括上電BIT(PUBIT)、啟動BIT(PBIT)、周期BIT(IF-BIT)、維護(hù)BIT(MBIT)，由BIM軟件中的測試功能、CPM系統(tǒng)軟件中的測試功能實(shí)現(xiàn)。6)余度管理:檢測系統(tǒng)故障及隔離故障部件，由CPM系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。

4測試驗(yàn)證

容錯計(jì)算機(jī)使用PC機(jī)和測試設(shè)備進(jìn)行功能性能驗(yàn)證，測試軟件安裝在PC機(jī)中，并通過電纜和測試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具體的物理連接如圖5所示。將各個(gè)調(diào)試完成的模塊組裝到整機(jī)后，通過相應(yīng)接口燒寫4個(gè)軟件配置項(xiàng)，在測試環(huán)境中對容錯計(jì)算機(jī)的BIT、輸入輸出接口、航電系統(tǒng)功能、機(jī)電系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，結(jié)果表明，該綜合化的容錯計(jì)算機(jī)較好地完成了預(yù)期目標(biāo)。

5結(jié)束語

本文首先對ARINC659總線的基本結(jié)構(gòu)做了簡單介紹，然后基于飛行器航電分系統(tǒng)和機(jī)電分系統(tǒng)的接口特性設(shè)計(jì)了綜合多任務(wù)容錯計(jì)算機(jī)的硬件架構(gòu)，接下來分析了軟件配置項(xiàng)以及完成的功能，最后利用測試設(shè)備對設(shè)計(jì)的容錯計(jì)算機(jī)進(jìn)行了測試驗(yàn)證，測試結(jié)果證明基于ARINC659總線的綜合化容錯計(jì)算機(jī)在飛機(jī)管理系統(tǒng)中具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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作者：王昭 成書鋒 馬小博 單位：航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所