綜合多任務(wù)高可靠容錯計算機設(shè)計實現(xiàn)

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摘要:為了滿足高性能飛行器安全可靠的需求，容錯計算機因其有效的故障處理機制得到了廣泛應(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)致計算機重量和體積的成倍增加。綜合化的容錯計算機使用ARINC659總線及相關(guān)軟件進行故障檢測、隔離，并將航電分系統(tǒng)和機電分系統(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，計算機較好地完成了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞:容錯計算機;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，研制生產(chǎn)和使用維護成本不斷提高，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算機［1］，從而提高電子設(shè)備的可靠性。而在航空領(lǐng)域，容錯計算機主要的應(yīng)用背景是飛行控制系統(tǒng)，它無論在商用飛機還是軍用飛機上都得到了廣泛應(yīng)用。但是，基于容錯計算機的冗余技術(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)需要向飛機管理系統(tǒng)發(fā)展，使多種功能綜合起來，并置于整個系統(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)計開發(fā)的波音777項目中，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)采納成為標準。

1ARINC659總線基本結(jié)構(gòu)

ARINC659總線是基于時間觸發(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個或多個LRM，每個LRM有2個總線接口單元BIUx和BIUy，每個BIU接收4路總線Ax、Ay、Bx、By的數(shù)據(jù)并進行解碼［6］，然后進行交叉驗證(Ax=Ay、Bx=By、Ax=By、Ay=Bx)，4個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BIU(Ax和Bx、Ay和By)的數(shù)據(jù)。ARINC659總線時間和空間的堅固性劃分通過表驅(qū)動比例訪問(TDPA)協(xié)議實現(xiàn)，總線時間被劃分為一系列的窗口，每個窗口包含一個LRM，在安排給該窗口的時間里發(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)定的時間命令表進行。表命令里定義了每一個窗口的長度、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

容錯計算機用于飛行器航電/任務(wù)分系統(tǒng)和機電分系統(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、機電的各個設(shè)備進行管理和控制，具體的交聯(lián)關(guān)系如圖2所示?；趫D2的交聯(lián)關(guān)系以及可靠性、安全性的工作要求，容錯計算機設(shè)計為雙余度配置，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，正常工作時由主通道輸出，主通道故障時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，容錯計算機內(nèi)部包括3種標準模塊: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模塊主要實現(xiàn)航電/任務(wù)管理功能、機電管理功能;BIM模塊主要實現(xiàn)外部接口信號的采集、管理、輸出控制;PSM模塊由2個功能、物理上均獨立的電源轉(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，用于實現(xiàn)容錯計算機與外部設(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60Mb/s，具體的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示?；谏鲜龇治?，設(shè)計的容錯計算機通過共用總線、接口以及機箱來減少體積、重量，完成多任務(wù)綜合管理功能的同時對雙余度的硬件資源進行了合理配置。

3軟件配置

容錯計算機軟件配合硬件完成航電分系統(tǒng)、機電分系統(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，將計算機軟件劃分為4個配置項: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)實現(xiàn)融合，容錯計算機的軟件功能與4個配置項的關(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現(xiàn)。2)接口管理:完成整個系統(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軟件實現(xiàn)。4)機電控制與管理:完成機電系統(tǒng)的控制與管理，由UMS軟件實現(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)軟件實現(xiàn)。

4測試驗證

容錯計算機使用PC機和測試設(shè)備進行功能性能驗證，測試軟件安裝在PC機中，并通過電纜和測試設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，具體的物理連接如圖5所示。將各個調(diào)試完成的模塊組裝到整機后，通過相應(yīng)接口燒寫4個軟件配置項，在測試環(huán)境中對容錯計算機的BIT、輸入輸出接口、航電系統(tǒng)功能、機電系統(tǒng)功能進行測試，結(jié)果表明，該綜合化的容錯計算機較好地完成了預(yù)期目標。

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)和機電分系統(tǒng)的接口特性設(shè)計了綜合多任務(wù)容錯計算機的硬件架構(gòu)，接下來分析了軟件配置項以及完成的功能，最后利用測試設(shè)備對設(shè)計的容錯計算機進行了測試驗證，測試結(jié)果證明基于ARINC659總線的綜合化容錯計算機在飛機管理系統(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)西安航空計算技術(shù)研究所