王戰(zhàn)江

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

?

綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動設(shè)計*

王戰(zhàn)江**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

為解決綜合化航空電子系統(tǒng)中冷重啟動時大電流沖擊導(dǎo)致的電子元器件加劇老化問題，以及避免冷重啟動時系統(tǒng)中無需重啟動部分正常工作被中斷現(xiàn)象，提出將熱重啟動引入綜合化航空電子系統(tǒng)設(shè)計中。結(jié)合綜合化航空電子系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和處理器的復(fù)位功能，分析了熱重啟動在綜合化航空電子系統(tǒng)中實現(xiàn)的可行性，給出了實現(xiàn)熱重啟動的軟硬件設(shè)計方法。經(jīng)過實驗驗證，熱重啟動能夠有效解決冷重啟動方式在綜合化航空電子系統(tǒng)的弊端。

綜合化航空電子系統(tǒng)；功能處理通道；熱重啟動;硬件設(shè)計

1 引 言

綜合化航空電子系統(tǒng)(第四代綜合航空電子系統(tǒng))[1]由位于機架外的綜合化天線孔徑和承載現(xiàn)場可更換模塊(Line Replaceable Module，LRM)的機架組成，機架中的LRM模塊通常分為綜合化的射頻前端類模塊、信號處理類模塊、數(shù)據(jù)處理類模塊和控制管理類模塊等幾大類[2]。LRM模塊采用多處理單元設(shè)計方法，以充分利用高度發(fā)展的微電子技術(shù)，最大程度減小系統(tǒng)的體積和重量。根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，LRM模塊中的相關(guān)處理單元加載相應(yīng)的功能處理軟件，配合機架外的天線孔徑，即可組成從天線到基帶的完整處理通道，實現(xiàn)目標(biāo)功能。

綜合化航空電子系統(tǒng)機架中LRM模塊通常采用統(tǒng)一的28 V直流供電，由機架外的一個或幾個加電開關(guān)控制關(guān)加電。當(dāng)系統(tǒng)中的一個功能處理通道由于軟件故障或根據(jù)需求需要重啟時，需通過機架外的加電開關(guān)斷電后再加電實現(xiàn)。通過加電開關(guān)的冷重啟動方式不但中斷系統(tǒng)中共用該加電開關(guān)的其他功能處理通道的正常工作，加電時由于電子元器件需要承受瞬態(tài)的大電流沖擊，會加快元器件的老化速度，進(jìn)而影響系統(tǒng)可靠性。熱重啟動可以實現(xiàn)帶電重啟[3]，能有效避免上述冷重啟動對系統(tǒng)的不良影響，同時，熱重啟動不會造成重啟動功能處理通道的隨機存取存儲器(Random-Access Memory，RAM)數(shù)據(jù)丟失，重啟動前的工作狀態(tài)能夠快速恢復(fù)[4]。因此，熱重啟動在綜合化航空電子系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。

目前，國內(nèi)外的文獻(xiàn)尚沒有對熱重啟動在綜合化航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文將熱重啟動設(shè)計思想引入到綜合化航空電子系統(tǒng)中，對綜合化航空電子系統(tǒng)中熱重啟動實現(xiàn)的可行性進(jìn)行了分析，給出了實現(xiàn)熱重啟動的軟硬件設(shè)計方法，并通過實驗進(jìn)行了驗證。

2 綜合化航空電子系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)分析

航空電子系統(tǒng)涉及的功能龐大，通常由多個綜合化機架組成，在控制管理結(jié)構(gòu)上采用分層控制架構(gòu)[5]，分為系統(tǒng)級控制管理、機架級控制管理、功能級控制管理和模塊級控制管理，控制管理層次如圖1所示。

圖1 控制管理層級示意圖

Fig.1 Diagram of control management level

系統(tǒng)級控制管理是系統(tǒng)的頂層控制管理中心，實體通常為高性能的通用中央處理器(Central processing unit，CPU)模塊，采用系統(tǒng)級高速總線(例如SRIO總線)與航空電子系統(tǒng)各機架互連，完成對系統(tǒng)各機架的統(tǒng)一控制管理，同時連接顯示器，提供對系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)的實時顯示。

機架級控制管理用于對機架內(nèi)各功能處理通道的控制管理，一般由通用數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)，采用與系統(tǒng)級控制管理相同的高速總線與各功能處理通道互連，以簡化系統(tǒng)設(shè)計。

功能級控制管理用于各功能處理通道內(nèi)部的控制管理，通常由該功能處理通道中的信號處理類模塊兼顧完成。

模塊級控制管理主要是射頻前端類模塊在收到功能處理通道中信號處理類模塊發(fā)送過來的控制參數(shù)，實現(xiàn)對自身狀態(tài)的控制管理，射頻前端類模塊主要有通用射頻接收類模塊、射頻發(fā)射類模塊和射頻功放類模塊等。

3 綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動可行性分析

綜合化航空電子系統(tǒng)中的某項功能主要由機架信號處理類模塊和射頻前端類模塊中的通用處理單元加載相應(yīng)的功能處理軟件構(gòu)建，以超短波接收通信舉例：系統(tǒng)操作員通過顯示器選擇當(dāng)前某一空閑處理通道為超短波接收功能，系統(tǒng)級的通用CPU模塊將該指令發(fā)送到被選空閑處理通道所在的機架控制管理模塊，機架控制管理模塊將該指令分發(fā)到空閑處理通道的信號處理模塊，信號處理模塊解析該指令后控制模塊內(nèi)的空閑處理單元以及射頻前端模塊中的空閑處理單元加載相應(yīng)波形接收處理軟件，構(gòu)建一條從射頻到基帶的功能處理通道，實現(xiàn)超短波接收通信功能。

綜合航空電子系統(tǒng)中的某一功能處理通道由于只占用信號處理類模塊和射頻前端類模塊的部分硬件電路，如果該功能處理通道熱重啟動，不會影響系統(tǒng)中其他功能的正常使用。

綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動主要用于含有軟件的各類處理器重啟，以便修復(fù)軟件故障或方便系統(tǒng)使用，涉及到的處理器包括常用的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、CPU和現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)等，這幾種處理器在硬件設(shè)計上都具備復(fù)位引腳，對這些處理器的復(fù)位引腳施以器件規(guī)定的時序邏輯，即可實現(xiàn)處理器的重啟動。系統(tǒng)級控制管理單元和機架級控制管理單元物理上獨立于功能處理通道，當(dāng)系統(tǒng)中某一功能處理通道需要重啟時，可以通過系統(tǒng)級控制管理單元和機架級控制管理單元產(chǎn)生功能處理通道各類處理器需要的復(fù)位信號，從而實現(xiàn)功能處理通道的非斷電重啟，即綜合化航空電子系統(tǒng)中功能處理通道具備熱重啟動的可行性。

4 綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

通過上文的描述可知，綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動主要針對系統(tǒng)中需要重啟的功能處理通道，而機架中的各功能處理通道由機架控制管理模塊統(tǒng)一管理，功能處理通道重啟動時，機架控制管理模塊不需要重啟動。因此，機架中的各功能處理通道熱重啟動在硬件設(shè)計上可以采取兩種設(shè)計方案。

方案一：由機架控制管理模塊對機架內(nèi)的各處理通道提供硬件復(fù)位信號，機架控制管理模塊通過使能需要重啟動功能處理通道對應(yīng)的復(fù)位信號，實現(xiàn)熱重啟動[6]。由機架控制管理模塊提供硬件復(fù)位信號的熱重啟動硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件復(fù)位信號實現(xiàn)熱重啟動示意圖

Fig.2 Diagram of warm restart using hardware reset signal

由于機架內(nèi)的系統(tǒng)規(guī)模較大，各功能處理通道的復(fù)位信號驅(qū)動距離較遠(yuǎn)，且每個復(fù)位信號需要實現(xiàn)對一個功能處理通道中的多個處理器復(fù)位，硬件復(fù)位信號需要選擇驅(qū)動能力較強的總線型信號，建議選用“RS485”電平信號或集電極開路(Open Collector，OC)門輸出的開漏信號。同時，考慮到機架內(nèi)的電磁環(huán)境復(fù)雜，復(fù)位信號必須具備強抗干擾能力，以避免由于機架內(nèi)的噪聲干擾導(dǎo)致的誤復(fù)位。可以采取的措施有屏蔽電纜走線，并遠(yuǎn)離機架中的大功率干擾。如果是背板走線，則復(fù)位信號要用屏蔽地全程屏蔽保護(hù)。

方案二：由機架控制管理模塊對機架內(nèi)的各處理通道下發(fā)熱重啟動命令，處理通道中的功能模塊解析熱重啟動命令后實施自我重啟動。根據(jù)國內(nèi)綜合化航空電子系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，機架內(nèi)的LRM模塊在業(yè)務(wù)總線外還采用專用的健康狀態(tài)管理控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)總線與機架控制管理模塊互連[7]，LRM模塊中設(shè)計獨立的CAN總線協(xié)議處理子系統(tǒng)，以確保LRM模塊的健康狀態(tài)管理。該熱重啟動方案即采用機架控制管理模塊通過CAN總線對需要重啟動的功能處理通道LRM模塊下發(fā)命令，LRM模塊中的CAN總線協(xié)議處理子系統(tǒng)解析命令，產(chǎn)生復(fù)位信號對LRM模塊中的功能處理單元復(fù)位。該方案的硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 命令式熱重啟動硬件設(shè)計框圖

Fig.3 Hardware diagram of warm restart using commands

兩種硬件設(shè)計方案的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 兩種硬件設(shè)計方案的優(yōu)缺點比較

Tab.1 Comparison between two hardware projects

方案優(yōu)點缺點方案一由機架控制管理模塊直接使能專用復(fù)位信號復(fù)位,響應(yīng)速度快每個功能處理通道需要設(shè)置專門的復(fù)位信號;復(fù)位信號在模塊間傳輸易被干擾方案二通過協(xié)議下發(fā)復(fù)位命令,可靠性高;CAN總線具有較好的抗干擾能力通過協(xié)議發(fā)送命令,響應(yīng)速度慢

因此，方案一適用于實時性要求高且機架內(nèi)干擾相對較小的系統(tǒng)，而方案二則適用于高可靠性要求但對時間不太苛刻的系統(tǒng)。

4.2 軟件設(shè)計

綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動設(shè)計可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇上述的硬件方案，同時還需要通過軟件設(shè)計進(jìn)行支撐，以進(jìn)一步加強可靠性。

某一功能處理通道需要重啟時，由操作員通過系統(tǒng)控制管理模塊下發(fā)熱重啟動命令給機架控制管理模塊。采用硬件方案一時，機架控制管理模塊解析熱重啟動命令后產(chǎn)生復(fù)位信號重啟功能處理通道，功能處理通道啟動結(jié)束后射頻前端類模塊上報啟動就緒狀態(tài)給信號處理類模塊，信號處理類將啟動完成信息匯總后統(tǒng)一通過機架控制管理模塊上報系統(tǒng)控制管理模塊，系統(tǒng)控制管理模塊將功能處理通道啟動完成信息送顯示器顯示，系統(tǒng)操作員即可通過該功能處理通道進(jìn)行后續(xù)的功能任務(wù)處理。軟件處理流程如圖4所示。

圖4 對應(yīng)硬件方案一軟件流程圖

Fig.4 Software flow of hardware project 1

硬件方案二通過LRM模塊中的CAN獨立子系統(tǒng)實現(xiàn)熱重啟動，流程如圖5所示，熱重啟動軟件主要在CAN獨立子系統(tǒng)實現(xiàn)，對功能軟件影響較小。

圖5 對應(yīng)硬件方案二軟件流程圖

Fig.5 Software flow of hardware project 2

5 綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動設(shè)計驗證

針對上文的熱重啟動軟硬件設(shè)計方法，在項目中進(jìn)行了實驗驗證，驗證選取相對簡單的第一種硬件設(shè)計方案。該驗證項目為某型獨立端機，采用綜合化設(shè)計思想，端機主要由控制管理模塊、信號處理模塊、射頻類模塊和電源模塊組成，其中的信號處理模塊、射頻類模塊均包含4個獨立的處理單元，信號處理模塊中的處理器選用的是TI公司的TMS320C6416型DSP和XILINX公司的XC5VLX50型FPGA，射頻類模塊中處理器選用的是XILINX公司的XC4VLX25型FPGA，DSP的復(fù)位引腳n_RESET腳和FPGA的復(fù)位引腳n_PROG_B腳連接控制管理模塊FPGA的輸入/輸出(Input/Output，I/O)引腳，DSP和FPGA處理器的復(fù)位引腳均為低有效。實驗在實驗室進(jìn)行，采用商用計算機模擬系統(tǒng)級控制管理，通過以太網(wǎng)與被測設(shè)備連接。

操作員通過計算機下發(fā)第一個處理通道重啟動命令，控制管理模塊的PPC處理器解析重啟動命令，通過控制管理模塊內(nèi)的FPGA模擬第一個處理通道的復(fù)位信號復(fù)位時序，拉低10 ms后再置高狀態(tài)，第一個處理通道的處理器開始復(fù)位，700 ms左右計算機收到第一個處理通道上報的啟動完成指令。與冷重啟動進(jìn)行啟動過程各項指標(biāo)對比，結(jié)果詳見表2。

表2 熱重啟動和冷重啟動指標(biāo)對比

Tab.2 Specification comparison between warm restart and cold restart

啟動方式啟動時間/ms其他處理通道正常工作啟動電流/A熱重啟動700無中斷約4冷重啟動90000中斷約9備注冷重啟動時,控制管理模塊的PPC需要重啟,啟動時間約90000ms冷重啟動時,不需要重啟動的處理通道由于斷電導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷冷重啟動時由于電源特性,沖擊電流較大

由表2可知，熱重啟動相對冷重啟動可以避免其他處理通道正常工作被中斷，同時在啟動時間和啟動電流兩項指標(biāo)上也得到了明顯的提升。

6 結(jié)束語

綜合化航空電子系統(tǒng)采用通用化設(shè)計思想，機架中的各功能處理通道由通用化LRM模塊構(gòu)建，并由系統(tǒng)統(tǒng)一供電，當(dāng)其中的一個功能處理通道需要重啟動時，通過機架外加電開關(guān)的冷重啟動方式，不但中斷其他正常功能處理通道，加電時的大電流沖擊還加劇了系統(tǒng)中電子元器件的老化速度，影響系統(tǒng)可靠性。為克服這些弊端，本文提出了綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動設(shè)計思想，給出了兩種實現(xiàn)熱重啟動的軟硬件設(shè)計方法，對其中一種方法在項目中進(jìn)行了實驗驗證，說明熱重啟動設(shè)計能有效避免冷重啟動的缺陷，同時加快重啟動進(jìn)程。

基于實際情況，本文的實驗驗證在多通道功能端機進(jìn)行，電路規(guī)模和系統(tǒng)復(fù)雜度遠(yuǎn)小于實際的綜合化航空電子系統(tǒng)，因此，下一步工作重點是在實際綜合化航空電子系統(tǒng)進(jìn)行熱重啟動設(shè)計的實驗驗證。

[1] 張鳳鳴,褚文奎,樊曉光,等.綜合模塊化航空電子體系結(jié)構(gòu)研究[J].電光與控制,2009,16(9):47-51. ZHANG Fengming,CHU Wenkui,FAN Xiaoguang,et al.Research on architecture of integrated modular avionics[J].Electronics Optics & Control,2009,16(9):47-51.(in Chinese)

[2] 代華山.通信導(dǎo)航識別綜合化機架設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].信息技術(shù)與信息化,2014(2):141-144. DAI Huashan.Design and key-technology analysis of integrated CNI frame[J].Information Technology and Informatization,2014(2):141-144.(in Chinese)

[3] 王水成,欒正紅. 微機的啟動方式及合理使用[J].中國設(shè)備工程,2004(11):28-29. WANG Shuicheng,LUAN Zhenghong.Start-up mode and fair use of microcomputer[J]. China Plant Engineering,2004(11):28-29.(in Chinese)

[4] 陳波,廖穎,黃強. 一種嵌入式系統(tǒng)復(fù)位時現(xiàn)場自動恢復(fù)的方法[J].電子質(zhì)量,2009(2):84-86. CHEN Bo,LIAO Ying,HUANG Qiang.Atechnology for embedded systems to resume working context when be reset[J].Electronics Quality,2009(2):84-86.(in Chinese)

[5] 姜春強. ASAAC標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)述評[J].電訊技術(shù),2008,48(12):98-102. JIANG Chunqiang.Review of ASAAC standard system architecture[J].Telecommunication Engineering,2008,48(12):98-102.(in Chinese)

[6] 李亞捷. 一種FPGA+多DSP系統(tǒng)復(fù)位信號的設(shè)計方法[J].微計算機信息,2010,26(2):31-35. LI Yajie.Design of reset signal for the system of FPGA and multi-DSP[J].Microcomputer Information,2010,26(2):31-35.(in Chinese)

[7] 楊斌,李阜東. CAN總線在航空模塊化綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2009,49(5):43-48. YANG Bin,LI Fudong.Application of CAN bus in modular integrated avionics systems[J].Telecommunication Engineering,2009,49(5):43-48.(in Chinese)

王戰(zhàn)江(1979—)，男，河南安陽人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航空電子系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

WANG Zhanjiang was born in Anyang,Henan Province,in 1979.He received the M.S. degree in 2011.He is now an engineer.His research concerns avionics system and communication system.

Email:clara3w@163.com

Design of Warm Restart in Integrated Avionics System

WANG Zhanjiang

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Warm restart is proposed in order to solve the problems arising from the process of cold restart in integrated avionics system,which are the aggravation of the aging process of electronic components hit by huge transient current and the interruption of normal functions requiring no restart.According to the control structure of integrated avionics system and the reset function of processors,feasibility to realize warm restart is analyzed,and software and hardware project solutions are provided. Experimental results show that warm restart can effectively solve the disadvantage caused by cold restart in integrated avionics system.

integrated avionics system;function processing channel;warm restart；hardware design

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.07.018

王戰(zhàn)江.綜合化航空電子系統(tǒng)中的熱重啟動設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2016,56(7):815-819.[WANG Zhanjiang.Design of warm restart in integrated avionics system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(7):815-819.]

2016-01-08；

2016-05-04 Received date:2016-01-08；Revised date：2016-05-04

TN802;V243

A

1001-893X(2016)07-0815-05

**通信作者：clara3w@163.com Corresponding author：clara3w@163.com