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基于PCI接口的ARINC629数据通信卡的开发.pdf

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西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论1.1论文背景介绍第一章绪论在上世纪七十年代中期,随着数字式航空电子技术的迅速发展,为了满足民用飞机对高效率信息传输的要求,美国航空无线电公司ARINC推出了ARINC429数据总线标准。ARINC429系统采用的传输介质为屏蔽的双绞电缆,传输的速率有两个,低速为12~14.5kb/s,高速为100kb/s。低速用于一般的低速电子设备,而高速用于传输大容量的数据或飞行关键信息。ARlNC429是目前民用飞机如B737,B757,B767,A320等广泛使用的一种总线,它用于民用飞机有一定的优点。例如它比较简单,无须象1553B总线那样有总线控制器,适用于仅作广播传输的传感器,且成本较低,也不会将一个分系统的错误传到另一个分系统。随着ARINC429总线在民用飞机上的广泛应用,其固有的缺陷也逐渐暴露出来,特别是在机载航空电子设备激增的情况下,ARINC429的单一发射机/多重接收机的设计方案远远不能满足飞机各系统之间大量数据传输的需要,今后民用飞机的发展需要一种多发送机数据传输总线。在ARINC629总线推出之前,多发送机数据总线主要是美国的军用标准MILsTD一1553。它是由美国汽车工程师协会sAE于1973年制定的用电缆作通信介质的军用机载数据总线标准。在70年代初开始用于有人驾驶飞机如B.1,F.15中,两年后推出了它的第一次修订版MILsTD一1553A。考虑到军用和民用的兼容性,SAE于1978年又推出了第二次修订版MI卜STD一1553B。由于1553B总线具有运行的可检测性,高的综合性能和较高的可靠性等优势,成为了一种国际性的航空航天总线标准。但是,在民用飞机上却不合适采用,这并非是1553B总线技术不适用于民用飞机的要求,而是由于技术难度、确保安全和价格等因素使它不适用于民用飞机。因此波音公司从1977年开始,经过近十年的研究,为民用飞机开发了一种新型总线DATAC,其含义为“数字式自主终端存取通信”,并于1986年联合ARINC公司为其新一代民用客机B777上使用的DATAC规范建立数据总线标准,这就是ARINC629。ARINC629总线系统体现了民用飞机多发送机数据总线设计时的特性要求。首先,ARINC629的存取协议逻辑确保连接在总线上的每个终端的传送信息依次地进入总线,而不使用如1553B那样的中央数据总线控制器。接收存取是连续的,终端只给总线提供物理连接。这使得与总线相接的通道接口的收/发终端将整体总线端与局部用户端隔离开来,在与总线相接的LRU内的故障不会传输到西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论总线中去,从而该故障也就不会进入其他总线用户。每个终端基本上是自主式的,独立于其他总线用户,这也是ARINC629与1553B相比最大的优势。其次,系统具有以某一规定的最小更新率更新数据的能力。这一点对诸如飞机的飞行控制系统来说是至关重要的。ARINC629存取协议逻辑以周期模式工作,这样就确保周期地传送和接收数据。它还被设计成能以非周期模式工作,这样在万一出现暂时的或持续的总线过载情况下,也能确保依次地接入与总线相接的每一个终端。再次,ARINC629的标识符表及其给连接在总线上的每个终端传送一个独特标号使得系统易于将来的更新、改装或增加设备,并在需要使用时,每个发送的数据都能随时进入其他每个接收机。最后,ARINC629所采用的是一个并行16位字读出与写入表。从发射源到接收机,数据总线可以被看作是转储系统的一个存储器。数据从源存储器中某一存储单元取出,并在适当时间通过总线传输,然后送入用户存储器中的某一指定的存储单元。这使得系统能够利用一个既可适应复杂系统,又可适应简单系统这样两种特殊需要的灵活的用户系统接口来支持内部系统间的通信。本论文所要设计的数据通信卡正是基于ARINC629总线的这一特点,通过ARINC629总线与计算机PCI总线之间的通信,实现计算机对机载电子设备的访问。 目前国外对于删C629总线数据通信装置的开发主要限于几家航空电子公司,比如CH Technologies公司、Corelis公司、Max Technologies公司等。这些公司的ARlNC629总线测试板卡主要借助于计算机总线技术实现数据在ARINC629总线与计算机总线间的传输,根据计算机总线的不同,可分为ISA、PCI和VxI等型号。这些测试卡配合其公司自行研制的驱动程序和测试软件,可以解决ARINC629总线设备测试的需求。而目前国内对ARINC629总线通信技术的研究很少,还没有自己设计的关于ARINC629总线的产品和测试系统,因此自主开发ARINC629数据通信装置还是具有相当的难度。1.2论文研究意义虽然国内对于ARINC629总线技术的研究还没有大规模开展,但是ARINC629总线技术在民用航空领域却逐渐成为了未来发展的方向。美国B777飞机于1995年实现首飞,在这近十年时间里所表现出的良好品质,使得ARINC629总线规范大受欢迎,法国空中客车公司也积极应用了此项技术。随着一种新型数字总线标准的成熟应用,开发设计遵循该标准的机载电子设备将成为未来航空工业的发展趋势,而研究和开发ARINC629总线技术就显得尤为迫切。本论文研究的内容正是针对具有AR/NC629总线接口的机载电子设备维修这一需求而开展的。本论文所开发的ARINC629数据通信卡可以实现计算机与具有2题北工业大学硕士学位论文 第一章绪论AR玳C629总线接口的机载电子设备间的通信,进而实现对机载电子设备的地面检测。通过ARINC629总线发送和接收数据,并对测试所得数据进行分析,从而确定机载电子设备的工作状态和故障类型,这样就便于对设备进行相关处理。B777飞机在实现各个航空电子系统的信息共享和功能综合中,很多系统都应用ARINC629总线来实现系统间的数据通信。在进行机载电子设备的检测、维护过程中,通过数据总线来实现机载电子设备工作状态、故障信息等相关数据的传送是一种简洁而有效的办法。因此,研究用于机载电子设备测试的ARINC629数据通信装置是有着重要意义的。1.3论文的主要工作本文所研究的题目是基于PCI接口的ARINC629数据通信卡的开发,从题目上就可以将论文的主要工作分为两部分,即计算机PCI总线接口部分和AR玳C629总线接口部分。具体工作可概括如下首先,结合教研室对ARINC629总线技术已有的研究成果,进一步对ARINC629协议规范进行研究。在掌握ARlNC629系统结构的基础上,明确ARINC629总线数据接收和发送机制,为数据通信卡的设计提供依据。其次,对数据通信卡的ARINC629总线接口部分进行设计,这一部分包括ARINC629终端接收单元,终端协议单元和终端发送单元。这一部分是直接与ARINC629总线相关的,它的信号流程必须完全遵守ARlNC629总线标准。再次,完成ARINC629总线接口与计算机PCI总线接口的连接,这里采用双口RAM来完成两种总线间的通信。最后就是关于数据通信卡驱动程序和应用软件的开发。西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础第二章数据通信卡的理论基础设计基于PCI接口的ARINC629数据通信卡必须遵循两种总线规范,即ARINC629总线规范和PCI协议,因此掌握ARlNC629总线规范和PCI总线协议是本论文的基础。2.1 ARIN0629总线规范2.1.1 ARINC629系统的组成及工作原理ARINC629总线协议定义了一个数字通信系统。在该系统内,航空电子控制系统的外场可更换部件LRu或其子系统可以按此标准通信协议通过双绞线或光缆完成数据的发送和接收。在总线上连接的每个子系统都是通过其内部的终端耦合到全局总线上的,这说明每个终端都具有完成系统接口的能力,这样可使必需的连接器数量达到最小。系统的构成元件及硬件连接如图2-1和图2.2所示电渍蓬接图2.1 ARINC629数字通信系统的主要构成元件4西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础图2.2 ARINC629数字通信系统硬件连接‘一’从图中可以看出,每个LRU中都包括终端控制器、串行接口模块和相关硬件。连接于总线上的所有终端都可以向总线发送或接收数据,并且不需要使用如1553B总线那样的总线控制器。总线访问的控制权被分配给了各个参与数据传输的终端,各终端在自主决定传输顺序的同时能保证连接在总线上的所有终端都有定时访问总线的机会,并且能够防止在别的终端未获取访问权之前重复访问某一个终端。ARINC629协议允许总线进行周期性或是非周期性数据传输。周期数据是指按一定规则传输的数据,此时的数据传输速率是指一个总线循环周期或是几个总线循环周期,周期数据的一个例子就是惯性传感器的姿态数据。非周期数据是指偶然传输的数据,这种数据没有固定的传输率或者它的传输率超过了总线循环时间,非周期数据的一个例子就是飞机检测的数据,它是在数秒内才传输一次;还有就是初始化数据,它是一次飞行才传输一次。ARINC629在定义数据传输方式时具有一定的灵活性,从而使周期和非周期数据能够在航空电子控制系统的各个不同层级间进行传输。这些灵活的数据传输操作都是基于两种规范基本协议规范BPBasic Protoc01和混合协议规范CPCombined Protoc01。1BP规范介绍在BP规范中,每个终端以相等的优先级及存取机会进行周期或非周期数据传输。在通常情况下,如果总线没有出现过载并且数据长度固定,终端就以固定间隔进行传输,这就是周期传输模式。在这种模式下,终端必须遵守上电初始化时所设定的时间间隔。但是,如果总线出现过载,它就会自动转换为非周期模式,西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础并且不会丢失任何数据,总线在设计时可以通过选择一个合适的循环时间小于传输最大数据帧所需时间来预先准备好处理此种情况的出现。即使在出现过载的情况时,各终端也享有均等的总线优先权。2CP规范介绍CP规范是BP规范的改进,它提供了周期数据传输的访问优先级优先级1以及非周期数据传输的较低的两个优先级优先级2和优先级3。在每一个优先级上,所有的终端均享有同等访问总线的机会,其控制机理与BP规范相同。在需要时,CP规范允许重要优先级上的非周期数据进行传输而不会影响正常周期数据传输的频率。终端所传输的周期数据都连在一块,剩余的总线有效时间就进行非周期数据传输。优先级2上的消息要比优先级3上的消息先得到传输机会。非周期消息必须按块进行传输,其长度必须小于BP规范非周期模式下所允许的最大长度,这可以保证周期传输间隔能完全容纳非周期数据。与BP规范不同,CP协议根据有效的总线时间对非周期数据进行了限制,从而不会影响正常的周期数据传输频率。BP和CP是两种不兼容的总线数据访问规范。因此,所有连接在同一总线上的子系统必须选择相同的规范,即要么BP,要么CP。其实在选择所用规范时可以通过设置终端的子系统来实现。不过,由于CP还处于研究开发阶段,而BP从技术上来说已经成熟,并通过了一系列的实验室试验及飞行试验,因此,本文只针对BP规范进行研究。3数据传输方式及种类采用双绞线作为传输介质时总线上发送和接收数据的速率是2Mbps,此速率是受到了传输介质和电流互感器技术的限制。所以说,ARINC629协议本身对数据传输速率并没有限制,实际的限制是源于所选介质的传输延迟。ARINC629总线具有两种数据传输方式,即所谓的广播方式与直接方式。广播方式指的是由单一的源发出消息,而接收该消息的可以是多个终端直接方式指的是点到点的传输,有明确的发送终端及接收终端,完整的消息由命令、源地址及目的地址、消息特征及数据组成。在所传输的数据的种类上,ARlNC629协议将数据分为简单字串及批数据两种,而后者又有块block及文件file之分。4出错管理ARINC629协议定义了两种错误。一种是终端到终端的错误,指的是从编码、发送,经总线传输,到接收并解码这个过程中所带来的错误。此时数据尚未送到目的终端的存储器中,主要检查的是字的同步曼彻斯特编码以及奇偶位,所以实质上是对字的有效性进行检查。另一种错误是分系统到分系统的错误,实际上就6西北工业大学硕士学位论文 第二二章数据通信卡的理论基础是对消息的有效性作检查,并由状态字来表征消息的有效性。除此之外,629总线还采用了检查和循环冗余码CRC来作为对文件传输的附加出错检测措施。2.1.2从lNC629结构体系ARlNC629总线规范定义的通信体系结构是以ISOInternational OrganizationStandardization7498--OSIOpen Systems Interconnection规范参考模型为基础的。国际标准化组织ISO公布的开放系统互联参考模型OSI/RM为开放互联系统提供了一种功能结构的框架,也是开发各种网络协议标准的基础。该参考模型以分层结构化技术为基础。所构造的系统可以从逻辑上看成是一些连续层次的组合,每一层都包裹住下面的层次,并把它们和上面的层次隔离起来,每一层功能都是在其下层的基础上实现的,是下层功能的增强和提高。如图23左边所示,物理层处于这个层次序列的底层,应用层则处于最高层。CSMA/CA较高层 元件分层结构图2-3 ARINC629终端分层结构示意图OSI/RM的每个层次是由一些实体组成,实体是硬件和软件元素的抽象,每个实体都属于一个开放系统。处于同一层的实体叫对等实体,一个层次由多个实体组成,每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务,而最高层提供能运行分布式应用程序的服务。OSI/RM把网络体系结构分为七层,自上而下为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。ARING629协议规范主要实现OSI对应的物理层信号指令、数据链路层的功能。为了使数据传输独立于所采用的物理介质和介质访问控制方式,ARINC629协议又把数据链层分为两个子层,即逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC。ARINC629总线分层结构如图2-3右边部分所示。这里的子系统西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础一般为单片机、DSP、微机系统或简单的A/D转换等。2.1.3 ARINC629物理层规范1物理层概述物理层由物理层信号传输Physical Layer Signaling、物理层实体PhysicalLayer entity及相关传输介质associated medium组成。它构成了连接在网络上的终端与介质访问控制层MAC的通信通道。2物理层信号传输为了使所有ARINC629终端控制器设备都能与任意物理层实体PLE进行连接,就必须采用统一的终端控制器TC与串行接口模块SIM的接口。以下就是对此接口的介绍,这部分描述了终端控制器与串行接口模块间通信时消息的格式以及编码。1总线空闲指示MAC层的总线访问协议BP、CP就是依靠物理层的总线空闲指示来进行操作的。有数据在总线上称为总线忙Bus ActiveBA,没有数据在总线上称为总线空闲Bus QuietBQ。总线空闲定义如下a.总线空闲状态无论是逻辑总线空闲还是物理总线空闲都表示总线空闲。b.逻辑总线空闲LBQ它是在终端控制器接收完数据时产生的总线空闲信号,此信号一直保持有效直至RXCK时钟从奇偶校验位开始完成6个时钟上跳沿。C.物理总线空闲PBQ它是由SIM模块通过设置S1M/终端控制器接口信号RXI和RXN都为低来指示终端控制器此时总线空闲。物理总线空闲是用来确认逻辑总线空闲的。它必须在逻辑总线空闲前出现,这样才能正确指示总线空闲状态,如图2-4所示。o竺坚’|一厂l一。RX。N。五磷蕊罩筹箝面。。I。,[IQ。,十I■一骶二∑玉∑cwmmw·『_][二二二n。器。,~}一图2-4总线空闲状态时序图西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础2信号调制从终端控制器到串行接口模块以及从串行接口模块到终端控制器的消息必须按一定的数字脉冲编码方式通过与rrL电平兼容的导线TXO/TXN和IU删进行通信。ARINC629总线采用的数据编码为曼彻斯特II型编码。它的调制波形是两态的,即高电平和低电平。逻辑“1”由每一位的前T/2Tl位时间的高电平变为后T/2的低电平表示。逻辑“0”由每一位的前T12的低电平变为后1 /2的高电平表示,如图2-5所示。在这种编码方式中,逻辑跳变均发生在位的中央,它既是数字信号的标志,也是时钟信号的标志。同步脉冲 蔓彻斯特码波形I\I百■■百万可T■■一广]一il一厂t门厂]厂]几。,,1』一 前T/2后T/2 前T/2后T/2一-入tr同步时钟臆冲图2-5曼彻斯特码波形及数据表示方式3消息同步经过介质访问子层MAC的消息传输及位的编码由物理层执行。要传输的消息的第一位必须有一消息同步格式码它是无效的曼彻斯特II波形,该编码由P 2SSPPrcPrc Sync Sync脉冲及其后的PSSPPre Sync Sync脉冲组成。完整的同步波形必须持续437ns到750ns。P2SSP为持续239ns到500ns的逻辑1。PSSP为持续234ns到510ns的逻辑“0”。而TxO,rxN上PSSP通常持续时间为一固定长度250ns。4字串格式MAC层的消息由字串组成,一个消息包含1到31个字串,每一个字串由1个标号字和后面紧跟的0到256个数据字组成。物理层必须保证在一个字串中连续的编码字的各个位问没有间隔。ARINC629协议消息格式如图2-6所示。图2-6 ARINC629协议消息格式毋匣西北工业人学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础a.标号字格式一个标号字长20位,由持续3位的标号字同步格式码WBl9~WBl7,16位的信息位WBl6~WBl以及一位奇偶校验位WB0组成。标号字的同步格式码是一无效的曼彻斯特II波形。同步码波形宽度为3位。其中前一位半为逻辑1,后一位半为逻辑“0”。注意,在曼彻斯特编码中,如果同步码的波形后紧接着的一位为逻辑“0”,则同步码波形后半部分具有两位的宽度。b.数据字格式一个数据字长20位,由持续3位的标号字同步格式码wBl9~wBl7,16位的信息位WBl6~WBl以及一位奇偶校验位WB0组成。数据字的同步格式码也是一无效的曼彻斯特II波形。同步码波形宽度也为3位。与标号字同步码不同的是,前一位半为逻辑“0”,后一位半为逻辑“1”。注意,如果同步码的波形后紧接着的一位为逻辑“1”,则同步码波形宽度增至4位;如果同步码波形前或后一位为逻辑“l”,则同步码波形宽度增至3位半。C.错误检测/奇偶校验位在每一个标号字和数据字的最后一位为奇偶校验位。奇偶性的计算是针对所有位wBl9~wB0进行的,并且为奇校验。字的同步码作为一位扩展的数据位,在标号字中看作逻辑“1”,而在数据字中看作逻辑“0”。d.字串间的间隔当一个消息中所包含的字串超过一个时,在没有其他控制信号发生的前提下,连续的字串中间应该插入4位的间隔。标号字和数据字格式如图2.7、图2-8所示。皇B19 tt。11;k16 端1 3 1桃l 2 骱基茹l l雌LO ;f彰lEXTF辐IOX j2 3I‘rS KAB以, p|SYNC哪孙图2.7标号字格式I斟彤臻式斟 翁慰挝 ’。§819卵ji 、 , 、 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