宋 丫，李興智，劉逸涵

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710077)

0 引言

ARINC429協(xié)議總線(以下簡稱ARINC429總線)是一種常見的飛機(jī)數(shù)據(jù)傳輸總線，它克服了模擬量傳輸帶來的高成本、傳輸線過多和可靠性差的問題，進(jìn)而在減輕飛機(jī)重量的同時(shí)，使飛機(jī)信息傳輸?shù)木珳?zhǔn)度得以提升[1]。

ARINC429總線控制器由兩個(gè)接收器、一個(gè)發(fā)送器以及若干主機(jī)可編程控制寄存器組成，它具有如下特征：1) 循環(huán)自測(cè)試功能；2) 25或32位字長；3) 奇偶校驗(yàn)位；4) 接收與發(fā)送字的生成；5) 支持中斷和查詢兩種操作方式；6) 異步串行傳輸；7) 100 kbps或12.5 kbps傳輸速率[2]。

對(duì)于32位字長的ARINC429消息，其包含有標(biāo)志位(Label)、源/目的識(shí)別位(S/D)、數(shù)據(jù)位(data)、標(biāo)記位(SIGN)、狀態(tài)位(SSM)、奇偶校驗(yàn)位(Parity)[3]。數(shù)據(jù)格式分為主機(jī)端格式與線上傳輸格式，一般采用主機(jī)端格式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，消息組成如圖1所示。

圖1 ARINC429總線數(shù)據(jù)格式

目前，機(jī)載通信常用的ARINC429總線消息主要分為周期性和事件性，其中周期性消息是指多個(gè)Label號(hào)數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行傳送，周期由主機(jī)端時(shí)鐘控制，數(shù)據(jù)字之間間隔4個(gè)位的空閑時(shí)間。事件性消息則由特定事件觸發(fā)，一般由多個(gè)Label號(hào)相同的數(shù)據(jù)字組成，某一時(shí)刻連續(xù)發(fā)送，包含包頭包尾以便識(shí)別解析[4]。對(duì)于周期性消息，由于發(fā)送端與接收端的系統(tǒng)時(shí)鐘存在差異，且多個(gè)Label號(hào)數(shù)據(jù)需要一定的傳輸時(shí)間，從而導(dǎo)致發(fā)送和接收可能出現(xiàn)在周期間隔中的任何時(shí)刻，即我們常說的異步傳輸。

為了提高ARINC429總線的可靠性，及時(shí)監(jiān)測(cè)總線功能是否正常，在設(shè)計(jì)機(jī)載通信系統(tǒng)時(shí)，常常需要建立一定的通信故障判斷機(jī)制，根據(jù)總線通信原理判斷線路通斷，同時(shí)檢查數(shù)據(jù)是否正常更新。

1 案例背景

遠(yuǎn)程接口單元通過ARINC429總線接收來自座艙壓力傳感器的數(shù)據(jù)信息，再通過網(wǎng)絡(luò)總線傳輸至綜合管理計(jì)算機(jī)。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)上設(shè)備狀態(tài)，遠(yuǎn)程接口單元需要對(duì)ARINC429總線通路及座艙壓力傳感器數(shù)據(jù)更新進(jìn)行判斷，并及時(shí)上報(bào)綜合管理計(jì)算機(jī)。

判斷總線通路是否斷開，一般采用讀取接收緩存的方式，連續(xù)多個(gè)周期接收緩存無數(shù)據(jù)則可認(rèn)為通信中斷，此時(shí)可判定總線故障或通信設(shè)備下線。在判斷接收數(shù)據(jù)是否更新時(shí)，通常在消息中設(shè)置一個(gè)心跳位，通過心跳不斷更新，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否為最新包。

在一起機(jī)上偶發(fā)的ARINC429總線心跳故障案例中，座艙壓力傳感器每周期固定向遠(yuǎn)程接口單元發(fā)送8個(gè)Label號(hào)數(shù)據(jù)字，其中Label號(hào)為313(八進(jìn)制)的數(shù)據(jù)字包含1bit心跳位，并1、0交替變化。遠(yuǎn)程接口單元每周期接收數(shù)據(jù)后保存本地，同時(shí)判斷心跳位是否發(fā)生變化，連續(xù)10個(gè)周期(100 ms)心跳不變則上報(bào)該設(shè)備心跳故障。經(jīng)長時(shí)間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該故障具有周期特性，設(shè)備上線大約二十分鐘后上報(bào)心跳故障，持續(xù)幾十秒恢復(fù)正常，如此循環(huán)往復(fù)。

2 故障分析

首先心跳故障的根本原因是連續(xù)10個(gè)周期接收到的心跳位無更新，此時(shí)有兩種可能：1) 座艙壓力傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)有誤；2) 遠(yuǎn)程接口單元接收解析不對(duì)。從根源處進(jìn)行故障隔離，持續(xù)讀取遠(yuǎn)程接口單元ARINC429總線接收緩存的原始數(shù)據(jù)，篩選出所有Label號(hào)為313的數(shù)據(jù)包，解析出心跳位并實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)顯示，心跳位持續(xù)穩(wěn)定更新，大約二十分鐘后故障再次復(fù)現(xiàn)，上報(bào)設(shè)備心跳故障。同時(shí)該ARINC429總線設(shè)置256數(shù)據(jù)字大緩存，而設(shè)備每周期僅發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)字，絕不會(huì)出現(xiàn)緩存溢出，至此可將故障定位于遠(yuǎn)程接口單元的判故機(jī)制。

周期性故障一般與軟件運(yùn)行的時(shí)序有關(guān)，進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，遠(yuǎn)程接口單元每周期接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與座艙壓力傳感器發(fā)送的8個(gè)不一致，即發(fā)送接收時(shí)機(jī)與時(shí)鐘中斷發(fā)生錯(cuò)位，此時(shí)當(dāng)前周期未收到包含心跳的Label數(shù)據(jù)，而下個(gè)周期收到兩個(gè)包含心跳的Label數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程接口單元軟件在處理接收數(shù)據(jù)時(shí)采用周期覆蓋式，當(dāng)收到兩個(gè)心跳時(shí)，新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)，導(dǎo)致0-1交替變化的心跳被連續(xù)覆蓋，從而導(dǎo)致故障發(fā)生。

究其根本是由于遠(yuǎn)程接口單元與座艙壓力傳感器是異步運(yùn)行的，沒有同步機(jī)制，兩者均是在自身時(shí)鐘控制下，以固定周期進(jìn)行消息收發(fā)，且兩個(gè)設(shè)備上電順序及時(shí)間隨機(jī)；再者兩個(gè)產(chǎn)品的自身時(shí)鐘精度也存在差異，時(shí)鐘信號(hào)在微觀上也有偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，兩者的本地時(shí)間出現(xiàn)相對(duì)差額，如圖2所示。

圖2 異步系統(tǒng)周期示意圖

如圖所示，A、B為兩個(gè)異步設(shè)備，各自時(shí)鐘周期存在微小差異。A設(shè)備在每個(gè)周期的固定點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)(向上箭頭)，B設(shè)備在每個(gè)周期的固定點(diǎn)接收數(shù)據(jù)(向下箭頭)，圓圈處為放大后的示意圖，正方形為ARINC429總線的一個(gè)數(shù)據(jù)字。一段時(shí)間后，兩個(gè)設(shè)備的發(fā)送和接收點(diǎn)會(huì)越來越近，由于A設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)需要一定時(shí)間，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，B設(shè)備的接收點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在A設(shè)備的發(fā)送過程中，此時(shí)就會(huì)表現(xiàn)為遠(yuǎn)程接口單元接收到的數(shù)據(jù)與座艙壓力傳感器發(fā)送的個(gè)數(shù)不一致，一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)兩包心跳數(shù)據(jù)。

3 優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)上述故障原因，對(duì)遠(yuǎn)程接口單元接收數(shù)據(jù)判故方法進(jìn)行改進(jìn)，去除周期覆蓋式的接收機(jī)制，只要在接收緩存中識(shí)別到Label號(hào)為313的數(shù)據(jù)包，即心跳所在數(shù)據(jù)包，就進(jìn)行一次心跳更新，同時(shí)清空故障計(jì)數(shù)，并保存最新一次的心跳值。

考慮到心跳0-1跳變存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，容易受機(jī)上干擾產(chǎn)生數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤，可以在數(shù)據(jù)負(fù)載允許的條件下，設(shè)置3位或多位心跳，變化范圍0-7等，發(fā)送端設(shè)備每周期心跳加1，接收端設(shè)備檢測(cè)到心跳變化即完成一次有效更新，如此可避免因干擾導(dǎo)致的誤判。

4 總結(jié)

本文介紹了一起機(jī)上偶發(fā)的ARINC429總線心跳故障案例，分析了異步系統(tǒng)間周期傳輸消息的特征，并結(jié)合ARINC429總線格式，提出了一種穩(wěn)定有效的故障判斷機(jī)制，為后續(xù)工程應(yīng)用提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)。