ARINC659总线协议分析及研究*

郭　亮，刘宇峰，赵　川，史嘉涛

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.北京青云航空仪表有限公司，北京100086；4.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068)

ARINC659总线协议分析及研究*

郭亮1，2，刘宇峰3，赵川4，史嘉涛4

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.北京青云航空仪表有限公司，北京100086；4.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068)

随着航空电子系统的发展，机载设备间数据总线的带宽、实时性要求更高，目前传统的底板总线(PCI、VME和CPCI等)已不能满足新一代航空电子系统对数据通信的要求。为此，在现有工业底板总线的基础上定义了高可靠性、高故障容忍度以及高完整性的新型底板总线——ARINC659底板总线。针对ARINC659底板总线在航空电子系统中的应用，分析了ARINC659底板总线协议的特点和局限，提出了未来的发展和改进方向，对于ARINC659总线的发展以及航空电子系统背板总线的选用具有指导意义。

ARINC659底板总线协议；协议分析；协议特点

0　引言

ARINC659底板总线是一种具有总线传输时间确定性的多节点串行数据总线，支持鲁棒的时间分区和空间分区，并以其特有的总线校验机制，很好地解决了航空电子系统对于底板总线的高可靠性要求问题[1-3]。在目前的航空数据总线中，ARINC659底板总线能够为底板间数据通信提供最高级别的可靠性、完整性和余度等级[3]。开展ARINC659底板总线协议分析和研究，对加速ARINC659底板总线系统在我国航空航天电子系统中的推广应用，提高航空航天电子系统的底板数据通信的可靠性具有非常重要的意义[4-5]。本文首先对 ARINC659底板总线体系结构进行了介绍，在此基础上重点分析研究了ARINC659底板总线协议[6-7]，总结了 ARINC659底板总线的技术特点及局限，并根据航空电子的发展趋势，指出ARINC659总线的未来发展方向[8-9]。

1　总线拓扑

基于ARINC659底板总线的多个LRM所构成的航空电子综合化系统的体系结构如图1所示，多个在线可更换模块（LRM）间通过ARINC659底板总线进行数据通信。数据总线由总线对A和B组成双-双配置，总线对A和B分别具有“x”和“y”两条总线。总线上每一个LRM包括两个总线接口单元（BIUx和 BIUy），BIUx经由x总线发送数据，BIUy经由y总线发送数据，每个BIU接收所有4条总线。

图1　ARINC659底板总线体系结构

2　总线协议分析

ARINC659底板总线规范包括概述、技术说明、物理层定义、数据链路层协议、附件、附录等6方面内容，概述了 ARINC659底板总线规范的基本体系和与其他标准的关系，说明了ARINC659底板总线的基本结构、数据类型、出错管理、测试和维护等技术特点，定义了接口信号、电气性能、物理隔离、连接器引脚分配等物理特性，详细规范了 ARINC659底板总线的同步操作、消息操作、接收数据选择和BIU/主机接口基本调用、调试等总线操作。

ARINC659总线主要面向要求高可靠性、高确定性、强实时性的航空领域应用，其总线协议与传统底板总线相比，具有以下突出特点：

(1)物理层隔离和总线电平

ARINC659总线的物理层协议通过定义一系列的物理隔离要求(包括BIU隔离、供电隔离和布线隔离)保证信号的完整性，来实现对总线物理故障的严格隔离。

ARINC659在总线的传输电平选取了 BTL电平标准，BTL电平输出驱动摆幅降至1 V，广泛用于背板传输领域。该电平支持独立的总线地和基准地，可满足总线物理故障的隔离要求。

(2)总线编码和拓扑结构

ARINC659采用 4条双－双备份的串行总线传输数据，在同一时刻，4条总线传输相同的数据，但总线编码方式不同，这种总线编码的优点：①4条线的平均直流和交流功率对于所有数据模式都是常数，这减少了对数据模式敏感的故障发生的可能性；②提供了辅助故障检测，这种编码机制可以检测总线开路、短路以及固定电平故障；③B总线与A总线信号反向，使信号具有差分驱动特性，其反向的差分特性提供了良好的EMC特性。④通过将低频转变到高频或是反过来可以检测抖动差错。ARINC659总线编码规则如表1所示。

表1　ARINC659总线编码规则

在接收方，对解码之后的数据按照不同总线对的组合进行比较，根据其定义的总线数据有效表来判断有效的数据。通过双-双余度的设置，总线具有很强的容错能力，能够鉴别并纠正一路总线错误和大部分两路总线错误，通过对总线故障的分析，对协议规定的可纠正故障可分类如表2所示。

(3)同步机制和表驱动机制

通过命令表中预先定义的同步消息，BIU实现状态的切换和保持。为了实现不同BIU工作状态间的同步，ARINC659协议定义了初始化同步、短同步和长同步 3种同步消息，通过这3种同步消息来实现总线系统的位级同步和帧级同步，从而实现同一个LRM模块的不同BIU之间以及不同的 LRM模块之间的总线同步。通过表驱动协议，保证数据传输时刻确定，不会出现总线冲突，无总线访问等待时延。

表2　可纠正故障分类

(4)实时热备份机制

ARINC659总线支持 4余度实时热备份，通过在命令表中定义主模块、备份模块1、备份模块2、备份模块3，当主模块出现故障并在规定时间（Δ时间）内没有完成总线传输时，可自动切换到备份1模块进行传输；同理，如果备份1，备份2无法完成操作，则切换到备份2模块及备份3模块。通过主-备传输机制，进一步提高了总线的可靠性。

(5)帧切换机制

通常的航空应用通过协议提供的帧切换命令，可实现帧之间的控制和切换。有两种不同类型的帧：版本帧和非版本帧。在版本帧中，底板总线上活动的所有BIU应该具有相同的表版本号。版本帧切换机制保证了所有处于同步状态的BIU会根据接收到的帧切换消息中的版本信息位段与自己的表版本号作比较，如果版本号不一致，它就会失去总线同步。在非版本帧中，表版本号被忽略，只要一个LRM中的 BIU对能够与底板同步，它就能够参与非版本帧。帧组织示例如图2所示。

图2　帧组织示例

在所有的总线应用中至少要有一个帧。在初始化同步完成后，总线上活动的模块将会跳转到一个非版本初始帧，此后这些模块既可能永久停留在初始化帧，也可能转入另一个由底板上某个LRM预先定义的帧。

3　协议的局限性

由于ARINC659总线协议主要考虑到背板传输领域以及为系统提供高可靠性的安全传输，所以存在一定的局限性。首先，受到物理层电气特性的限制，ARINC659总线底板的长度较短，一般不超过 120 cm，只能用于机架内模块间通信，机架之间的通信要通过网关和其他总线来完成，这对于航空电子系统中需要实现多个机架间冗余设计，以及多个冗余机架之间的总线时间同步造成一定影响。其次为了实现总线双-双余度功能，总线接口要求双－双配置，并且由于物理隔离的需要，底板总线的供电、短接都需要独立完成，因此硬件成本较高。

随着航空电子系统综合化的发展，航电设备内部模块间的数据通信量也迅速增长，根据协议ARINC659总线支持的最高速率为 60 Mb/s，在一些应用场合已无法满足系统的通信需求，为了进一步提高ARINC659总线通信速率，需要对ARINC659总线高速通信机制以及物理层电平标准进行探索和研究。ARINC659总线协议拥有良好的容错性及错误检测机制，在使用完整性表的情况下，可保证数据的正确性，当使用可用性表时，有时无法区分总线错误，但数据可以被正常提交，此时可通过软件在数据传增加校验位的方法，当使用可用性表并且发现总线有双位错时，采用软件校验机制对数据进行校验，对数据的正确性进行进一步的判断。

4　总结

ARINC 659总线是满足高可靠性需求的双-双余度配置的串行容错总线，是构建机架式综合模块化系统(IMA)的关键技术之一。该总线在航空电子、空间飞行器电子、工业安全关键控制领域有广泛的应用需求。国外已在波音777 AIMS(飞机信息管理系统)、波音 737等民用飞机通用综合航空电子系统成功应用。本文通过对总线协议的分析，根据航空电子系统在近年来的发展趋势，总结了其协议特点和局限，并提出了未来发展方向，有利于促进该总线在我国航空、航天领域推广和应用。参考文献

[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]张喜民.ARINC 659背板数据总线协议初探[J].电光与控制，2013，20(3)：93-97.

[5]魏婷，张喜民．ARINC659背板总线调试方法研究[J]．测控技术，2008，27（S0）：84-86.

[6]许宏杰，田泽，郭亮，等.ARINC659芯片设计与实现关键技术研究[J].计算机技术与发展，2014，24(3)：26-30.

[7]田泽，刘宁宁，郭亮，等.ARINC659底板数据总线及关键技术[J].计算机应用，2013，33(S2)：49－53，56.

[8]强新建，田泽，淮治华.基于 ARINC 659的 FPGA原型验证平台的构建与实现[J].计算机工程与设计，2010，31 (12)：2726-2728.

[9]马宁，李玲，田泽，等.ARINC659总线协议芯片的仿真验证[J].计算机技术与发展，2010，20(1)：205-208.

Analysis and research of ARINC659 bus protocol

Guo Liang1，2，Liu Yufeng3，Zhao Chuan4，Shi Jiatao4
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Beijing Keeven Aviation Instrument CO.LTD，Beijing 100086，China；4.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

With the development of aviation system，the data bus between airborne-equipment has a higher request for the highbandwidth and high real-time.At present，the traditional backplane bus，such as PCI，VME and Compact PCI and so on，can not meet the data communication requirements for the new generation of avionics systems.So a new bus of high reliability，fault tolerance and high integrity is defined，which is based on the existing industrial backplane bus——ARINC659 backplane bus.Aiming at the applications of ARINC659 backplane bus in avionics systems，this paper analyses the characteristics and limitations of the ARINC659 protocol and puts forward the future development and improvement direction.The research has positive significance for the development of ARINC659 backplane bus and the selection of avionics system backplane bus.

ARINC659 bus protocol；protocol analysis；protocol features

TN913

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.039

航空科学基金（2015ZC51036）；中国航空工业集团公司创新基金(2010BD63111)

（2016-07-19）

郭亮（1982-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：集成电路设计。

刘宇峰（1976-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：飞控设计。

赵川（1988-），男，助理工程师，主要研究方向：嵌入式设计与开发。

史嘉涛（1987-），男，硕士，主要研究方向：集成电路设计与验证。

中文引用格式：郭亮，刘宇峰，赵川，等.ARINC659总线协议分析及研究[J].电子技术应用，2016，42(10)：149-152.

英文引用格式：Guo Liang，Liu Yufeng，Zhao Chuan，et al.Analysis and research of ARINC659 bus protocol[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：149-152.