航空集成电路“芯”时代“芯”发展

　　ARINC659底板数据总线是基于时间触发架构的双－双余度配置、容错性多节点串行通信总线，支持鲁棒的时间分区和空间分区，解决了航空电子系统对于底板总线高可靠性、高故障容忍度、高容错性等系统要求，成为综合化、模块化航空电子系统的关键技术。该总线技术已在航空领域中普遍使用，并延伸至航天、轨道交通、工业控制等领域。中航工业计算所及翔腾公司设计了具有自主知识产权的ARINC659总线协议处理芯片组，包括总线协议处理芯片和总线收发器，集成了同步脉冲收发、数据传输校验、总线故障容错以及总线调试等功能，同时在小型化、通用化、功耗、体积和重量上具有巨大优势。

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　　1　底板总线

　　底板总线作为连接机箱底板上不同功能插件的总线系统，目前在通用计算机领域和工业测控领域已经广泛应用，常用的总线有PCI、VME和CompactPCI，以及在PCI和VME基础上扩展形成的PXI、VXI总线。

　　基于通用计算机和工业测控领域的底板总线无法满足高可靠性、高故障容忍度、高容错性以及综合化等系统要求，因此，Honeywell公司提出了一种新型的底板总线——ARINC659总线。

　　2　ARINC659总线

　　ARINC659总线用于机架式综合模块化航空电子系统(IMA)之间的数据传送，是一种总线型的多路串行通信总线，采用半双工的传输方式和交叉检验的纠错机制以及表驱动比例访问（TDPA）的通信机制，按照预定的命令表（总线操作调度表）进行通信。它具有容错能力，且在时间(总线传输时间)和空间(存储空间)上具有健壮划分的特性，是一个高完整性底板总线。其容错能力好于传统的双余度，复杂性小于传统的4余度，是目前容错能力较强、可信度较高的串行总线，满足高可靠、高故障容忍度、高容错系统对于底板总线技术需求。

　　ARINC659协议特点：

　　（1）确定性：传统底板总线传输前需先申请总线而无法保证传输的实时性，ARINC659总线则通过引入TDPA机制，事先定义总线命令表，规定好总线的传输窗口，可确保总线活动的确定性，主机只需在固定的时间窗口组织好发送数据就可完成数据的定时发送，同时主机在固定的时间点查询数据更新标志就可完成数据的接收。

　　（2）容错性：ARINC659采用双BIU配置及总线对比较的方式来进行错误检查，其容错性好于传统的双-双余度，而复杂性小于传统的四余度。

　　（3）可靠性：ARINC659底板总线的可靠性主要通过在总线层级的冗余机制——四条总线传输相同的数据，LRM级的主-后备方式来提高系统的可靠性。同时，ARINC659协议在物理层通过一系列隔离机制也增加了系统的可靠性。

　　3　ARINC659总线核心芯片组

　　ARINC659总线的核心芯片组主要包括总线协议处理芯片（HK659）和总线收发器（HKA22040）两部分组成。

　　3.1　HK659

　　HK659是一款集成了PCI主机接口、ARINC659总线协议处理单元、命令表自加载接口、时钟复位电路、以及丰富的片上存储器资源的专用集成电路，可实现ARINC-659-1993中规定的同步脉冲收发、数据传输校验、总线故障容错以及总线调试等功能，是一款通用化和小型化的通信处理电路。

　　HK659的主要特性如下所示：

　　a.　具有ARINC659底板总线协议处理单元：

　　——时钟采用30MHz，最大数据传输速率60Mbit/s；

　　——采用表驱动协议，无总线冲突、访问时延、地址段信息，总线传输效率高达98％；

　　——支持4余度实时热备份，具有高可靠性；

　　——4条双-双配置的串行总线传输数据，具有很强的容错能力和故障隔离能力。

　　——支持半双工传输、交叉检验、线性多点；

　　b.　具有命令表自加载单元：

　　——支持两种PROM，数据位宽8位，频率20MHz；

　　c.　具有丰富的片内存储器资源：

　　——集成SRAM，存储PROM中的命令表；

　　——集成DPRAM，用作收发数据缓冲区；

　　d.　支持33MHz、32位PCI总线；

　　e.　外型尺寸：24mm×24mm；

　　f.　温度范围：-55℃～+125℃。

　　3.2　HKA22040

　　HKA22040是实现ARINC659底板总线协议处理芯片与ARINC659底板总线之间的物理层驱动芯片，承担收发器功能；

　　HKA22040的主要特性如下所示：

　　a.　可驱动端接负载16.5（典型）；

　　b.　每端口驱动电流>100mA；

　　c.　静态功耗小于5mA；

　　d.　传输BTL电气特性满足IEEE1194.1-1991规定；

　　e.　每通道提供总线地，降低总线噪声干扰；

　　f.　内置高精度基准，并提供±200mV可调；

　　g.　提供8路BTL-TTL双向收发电路，最大驱动数据速率50MHz；

　　h.　功能和管脚兼容PHILIPS FBL22040；

　　i.　外型尺寸：11.24mm×11.24mm；

　　j.　温度范围：-55℃～+125℃。

　　4　ARINC659总线配置工具

　　ARINC659总线配置工具是开发基于ARINC659总线的IMA系统的支撑开发环境，用于根据系统要求对系统内各节点间的通信和节点各任务进行配置和设置、自动生成总线命令表，并可完成ARINC659总线命令表的编译，生成符合Intel MCS-86 HexObject文件格式的命令表文件，在此基础上对命令表进行图形化仿真，从而建立系统综合的框架。

　　5　典型应用

　　HK659集成了PCI主机接口、ARINC659协议处理单元、PROM命令表自加载单元、与主机交互数据所需的DPRAM存储器和映射命令表所需的SRAM存储器。实现了ARINC-659-1993中规定的总线接口、时钟同步、数据传输以及调试等功能。

　　HK659在系统应用时需要成对使用，每个LRM（Line Replaceable Module，在线可更换模块）包括两个BIU（Bus Interface Unit，总线接口单元），分别为BIUx和BIUy，典型应用框图如下图所示。BIUx和BIUy经由不同的总线发送，每条总线分别由LRM中的一个独立的数据收发器驱动，每个LRM中有4个数据收发器。

　　HK659芯片典型应用框图