綜合多任務高可靠容錯計算機設計實現(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期功能。

關(guān)鍵詞:容錯計算機;ARINC659總線;綜合化;多任務

引言

隨著飛行器應用日益廣泛，功能不斷增強，研制生產(chǎn)和使用維護成本不斷提高，裝載了昂貴任務設備的高性能飛行器有必要使用容錯計算機［1］，從而提高電子設備的可靠性。而在航空領(lǐng)域，容錯計算機主要的應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。操作命令預先存儲在表存儲器里［7］，總線操作按照預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)設計

容錯計算機用于飛行器航電/任務分系統(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、機電的各個設備進行管理和控制，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，容錯計算機設計為雙余度配置，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?；谏鲜龇治觯O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)任務控制與管理:完成任務系統(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)的接口特性設計了綜合多任務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，最后利用測試設備對設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)中具有較廣闊的應用前景。

參考文獻:

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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