王晨博,孟 博,張 楠

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

航空電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)集成度、傳輸帶寬及安全性提出了更高的要求,傳統(tǒng)的機(jī)載總線已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。AFDX基于IEEE802.3 通信原理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1],具備了高安全性和有界的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,作為主干網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于PCIe主機(jī)接口的AFDX端系統(tǒng)模塊,同時(shí)搭建了測(cè)試環(huán)境對(duì)AFDX端系統(tǒng)進(jìn)行了協(xié)議符合性測(cè)試。

1 需求分析

本文設(shè)計(jì)的AFDX端系統(tǒng)在符合ARINC664P7規(guī)范的基礎(chǔ)上,同時(shí)滿足用戶的特定功能性要求。端系統(tǒng)的接收VL支持256條。AFDX端系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)子卡形式設(shè)計(jì),結(jié)合加固框安裝在主模塊上。支持主模塊同AFDX網(wǎng)絡(luò)的連接及數(shù)據(jù)通信。AFDX端系統(tǒng)應(yīng)具備ARINC664數(shù)據(jù)通信功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能以及數(shù)據(jù)加卸載功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AFDX端系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能。物理層基于以太網(wǎng)的PHY芯片提供兩路的通信接口,支持10/100 M速率的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。通過(guò)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)ARINC664數(shù)據(jù)鏈路層功能,包括VL調(diào)度、余度管理以及MAC核功能[2]。通過(guò)端系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層的相關(guān)功能。主機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能,包括SNMP網(wǎng)絡(luò)管理及ARINC615A數(shù)據(jù)加卸載功能。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

AFDX端系統(tǒng)采用內(nèi)嵌PPC440處理器硬核的大規(guī)模FPGA芯片,利用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)ARINC664網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送調(diào)度和接收管理等功能,利用PPC440處理器實(shí)現(xiàn)UDP/IP協(xié)議棧處理和端口緩沖區(qū)管理。外部配置存儲(chǔ)器,實(shí)現(xiàn)端口數(shù)據(jù)緩沖和運(yùn)行狀態(tài)信息存儲(chǔ),配置存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)。

AFDX端系統(tǒng)主要功能電路包括:FPGA電路、電源電路、接口電路和時(shí)鐘電路,其原理如圖1所示。

圖1 端系統(tǒng)功能

AFDX端系統(tǒng)以一片F(xiàn)PGA為核心進(jìn)行搭建,實(shí)現(xiàn)AFDX協(xié)議處理功能。FPGA電路基本配置如下:

(1)配置兩個(gè)以太網(wǎng)MAC核,通過(guò)MII接口實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)PHY芯片的控制。

(2)配置端系統(tǒng)鏈路層控制功能,支持冗余管理、虛鏈路調(diào)度等。

(3)整板復(fù)位控制邏輯。

(4)內(nèi)部提供PowerPC440處理器硬核,實(shí)現(xiàn)協(xié)議等功能。

通過(guò)邏輯綜合后對(duì)資源占用情況的評(píng)估,選用Xilinx公司的V5系列芯片。由于AFDX端系統(tǒng)使用PCIe接口,FPGA需要高性能的配置模式。

AFDX端系統(tǒng)采用+5 V直流供電,經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V、1 V等各種電壓。其中FPGA的高速串行I/O工作所需的1 V(MGTAVCC和MGTAVCCPLL)和1.2 V(MGTAVTT)兩種電壓,紋波要求不能大于25 mVpp,需要使用線性電源供電。除了要求采用性能良好的電源模塊以外,還需要作一些額外處理。

AFDX端系統(tǒng)和主機(jī)之間通過(guò)PCIe總線傳輸數(shù)據(jù)和命令。端系統(tǒng)FPGA提供一路PCIe硬核,該硬核最多支持X8通道,可以滿足端系統(tǒng)與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需求。PCIe接口使用FPGA提供的高速串行I/O。根據(jù)PCIe規(guī)范要求,ARINC664端系統(tǒng)在PCIe總線發(fā)送信號(hào)線和時(shí)鐘信號(hào)線上串接0402封裝的0.1uF去耦電容。

AFDX端系統(tǒng)的PCIe總線時(shí)鐘由主機(jī)提供,FPGA內(nèi)部處理系統(tǒng)時(shí)鐘和配置加載時(shí)鐘由端系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的單端晶振提供。系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生兩種頻率的時(shí)鐘信號(hào),分別提供給FPGA內(nèi)嵌PPC440處理器工作時(shí)鐘和內(nèi)部PLB總線的工作時(shí)鐘。

AFDX端系統(tǒng)采用單端晶振提供以太網(wǎng)PHY芯片工作時(shí)鐘和FPGA存儲(chǔ)器接口時(shí)鐘,FPGA存儲(chǔ)器接口時(shí)鐘在FPGA內(nèi)部經(jīng)鎖相環(huán)后,生成時(shí)鐘信號(hào)用于存儲(chǔ)器的讀寫。

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

邏輯設(shè)計(jì)主要包括PCIe核、PPC440核和端系統(tǒng)邏輯等部分。

AFDX端系統(tǒng)鏈路層發(fā)送過(guò)程如下,FPGA從發(fā)送緩沖區(qū)獲取要發(fā)送的數(shù)據(jù),通過(guò)VL規(guī)整器及調(diào)度器進(jìn)行虛鏈路控制后,根據(jù)配置中對(duì)該VL的冗余設(shè)置,將數(shù)據(jù)包選擇分發(fā)到MAC1和MAC2后通過(guò)物理層PHY芯片進(jìn)行發(fā)送。

AFDX端系統(tǒng)鏈路層接收過(guò)程如下,FPGA從MAC1和MAC2上接收到物理層數(shù)據(jù),根據(jù)配置通過(guò)完整性檢查、冗余管理后,將消息數(shù)據(jù)提交到緩沖區(qū),進(jìn)行上層處理。同時(shí),在FPGA內(nèi)部提供控制寄存器功能,維護(hù)鏈路層通信配置、鏈路層通信統(tǒng)計(jì)量等功能。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

AFDX端系統(tǒng)軟件主要由協(xié)議棧軟件、SNMP網(wǎng)絡(luò)管理軟件和ARINC 615A加卸載軟件組成。

協(xié)議棧軟件主要完成數(shù)據(jù)報(bào)封裝、數(shù)據(jù)報(bào)分片、片的重組、分片控制等功能[3]。SNMP網(wǎng)絡(luò)管理軟件在模塊上建立SNMP代理進(jìn)程及管理信息庫(kù)(MIB),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控。通過(guò)端系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)管理者通信,提供當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)信息及端口統(tǒng)計(jì)值,檢查當(dāng)前的異常情況。ARINC 615A加卸載軟件作為目標(biāo)硬件,與系統(tǒng)中的加載器進(jìn)行通信,完成FIND,Information,Upload,Download操作,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加卸載。

3 試驗(yàn)測(cè)試

結(jié)合AFDX端系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)需求,對(duì)其功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,搭建測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)由自研的通信測(cè)試模塊、直流電源、模塊測(cè)試工裝、PC機(jī)和通信電纜組成。AFDX端系統(tǒng)作為被測(cè)設(shè)備,按照通信測(cè)試模塊發(fā)送的指令完成ARINC664P7相關(guān)的協(xié)議符合性測(cè)試。

AFDX端系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目主要包括基礎(chǔ)通信測(cè)試、虛擬鏈路測(cè)試、包間隔測(cè)試、隊(duì)列/采樣/SAP端口測(cè)試和冗余管理測(cè)試。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,AFDX端系統(tǒng)的功能性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)ARINC664 Part7標(biāo)準(zhǔn)的理解和研究,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種符合ARINC664協(xié)議要求的AFDX端系統(tǒng)模塊,并給出了該模塊的試驗(yàn)測(cè)試方法。試驗(yàn)測(cè)試和工程應(yīng)用結(jié)果表明,該模塊各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。