CN110704353A

CN110704353A - 一种cpci-arinc429热插拔系统

Info

Publication number: CN110704353A
Application number: CN201910938066.8A
Authority: CN
Inventors: 胡晓光; 王聿正; 肖瑾
Original assignee: Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110704353B

Abstract

本发明提出一种CPCI‑ARINC429热插拔系统，能够在物理支持模块和行为功能模块的基础上，结合ARINC429协议，实现CPCI总线下的高可用热插拔，系统的整体结构如图1所示。物理支持包括如下部分：板上主控逻辑模块、热插拔电源管理模块、CPCI通讯模块、ARINC429通讯模块，如图2所示。行为功能设计包括：板卡行为逻辑设计、驱动支持程序改进设计、ARINC429协议配合设计。本发明实现在系统不关闭电源的情况下替换故障设备，并通过结合ARINC429协议，实现高可用热插拔，由系统主动检测故障和替换故障设备。

Description

一种CPCI-ARINC429热插拔系统

技术领域

本发明属于电子设备、器件热插拔技术领域。具体涉及到CPCI协议与ARINC429协议。

背景技术

现代飞行器对可靠性有很高的要求。特别是航空数据总线作为现代飞行器中十分重要的构成部分，对可以完成自行排错和更换设备，保证数据完整及时传输的能力有迫切的需求。针对该问题，可以引入高可用热插拔技术来解决。高可用热插拔技术在满足基本热插拔标准的基础上，不仅可以保证热插拔过程的安全性，还使得由程序检错而自动执行热插拔变为可能，为热冗余和热备份的发展提供了支持。然而目前航空领域中的高可用热插拔研究与应用尚有欠缺，一定程度上限制了航空数据总线可靠性的提高。

针对航空领域中的热插拔发展不足，航空数据总线可靠性在热插拔方向仍有提高空间等问题，本发明从高可用热插拔方向对航空数据总线的可靠性提高课题展开研究。本发明的主要内容在于针对自研的CPCI总线设备，在嵌入式实时系统VxWorks下，完成航空数据总线ARINC429对高可用热插拔功能的支持，并对必要的CPCI设备采用冗余设计，当检测到故障或设备移除时，由软件自主完成主从设备的自动切换，使得整个航空数据总线系统满足高可用性要求。研究目的在于满足航空以及航天、电信、工业应用等领域中，数据总线对于保证数据及时准确传输、增强可靠性和稳定性的需求，进而提高系统整体的运行性能。

发明内容

1.本发明提出一种全新的CPCI-ARINC429热插拔系统，能够在物理支持模块和行为功能模块的基础上，结合ARINC429协议，实现CPCI总线下的高可用热插拔。

2.所述系统包括物理支持模块和行为功能模块。物理支持模块为高可用热插拔进行了专门设计，且行为功能模块也针对ARINC429协议进行了定向优化改进。在物理支持模块的为系统提供安全保障和功能实现条件的基础上，通过结合ARINC429协议相关内容进行设计的行为功能模块，使得其可以针对不同的情况(如主动更换设备或出现故障)采取合适的行为与处理措施，从而具有支持CPCI下的高可用热插拔的能力。

3.其中物理支持模块包括如下部分：板上主控逻辑模块、热插拔电源管理模块、CPCI通讯模块、ARINC429通讯模块。

板上主控逻辑模块用于实现板卡上的行为逻辑设计，实现对数据的收发和根据反馈信号来执行相应操作，主要由型号为EP1C6Q240C8的FPGA和相关的辅助模块组成。EP1C6Q240C8为Altera公司的Cyclone系列FPGA，具有可靠性高，相关应用技术成熟的优点。相关辅助模块包括时钟电路配置、PLL倍频、EEPROM配置电路、内核电压电源模块电路、为提高信号稳定增设的FPGA稳定电路、烧录接口。该部分可以单独作为一个FPGA最小系统进行相关调试和性能测试。

热插拔电源管理模块用于保护板卡进行安全的进行热插拔，主要由MIC2580热插拔电源管理芯片、采样电阻和MOS管IRF7413A组成。热插拔支持能力中电源管理必不可少，通常需要设计热插拔电源管理模块来实现，在本设计中所选用的三种元件对应热插拔电源管理模块所一般包括的三个主要元件：热插拔控制器(HSC)、测量电流的采样电阻，以及用作电源控制主开关的开关元件，如N沟道MOSFET，热插拔控制器用于实现控制MOSFET导通电流的环路，其中的采样电阻相当于一个电流检测放大器，N沟道MOSFET用于使电路板的电压按设定的速率线性增加，直至达到电源电压，从而保证热插拔过程中电源的安全性。

CPCI通讯模块用于支持系统进行符合CPCI协议的通讯，主要由PCI协议桥芯片PCI9054和相关配置设计组成。CPCI协议复杂严格，通常采用IP核嵌入FPGA或是采用CPCI桥芯片来实现CPCI通讯，在本设计中，选用了更可靠的CPCI桥芯片PCI9054来实现CPCI通讯功能。与PCI9054相关的配置电路包括所有信号接入CPCI总线所均需要通过的阻抗匹配电阻，此外，为了进行PCI9054的初始化，需要配置串行EEPROM存储芯片，以储存PCI9054的初始化信息，根据PCI9054手册描述，其指定有几款EEPROM作为其配置存储器，在本设计中选用ST93CS56。

ARINC429通讯模块用于支持板卡进行符合ARINC429协议的通讯，主要由ARINC协议支持芯片HI-3585和相关辅助设计组成。ARINC429有一套严格的数据格式和信号电气标准要求，需要进行完善的的设计以符合ARINC429协议。对ARINC429的支持主要有两种方式，一种是利用FPGA进行直接控制，并通过驱动电路满足相关的电气要求，如输出±12V等；另一种是利用专用的ARINC429协议芯片，并通过对协议芯片的控制来实现ARINC429信号的输出。利用FPGA或者其他可编程芯片来输出ARINC429信号的方式比较困难，需要经过大量的调试，且可靠性不高，外部驱动电路也占用过多空间，功率过高且性能也有不足，本设计采用了ARINC429专用协议芯片HI-3585的方式来实现。HI-3585对电源的要求较低，只需要提供常见的+3.3V和±5V即可工作，不需要像其他ARINC429协议芯片如BD429一样专门提供±15V参考电压；其功能强大，支持多种指令；内部缓存大，可以存储32*32bits的ARINC429数据。对HI-3585的控制和数据通讯通过SPI接口进行，即FPGA通过进行串行通讯下达指令和接发ARINC429数据。如此减少走线数量，节约了PCB板上面积，且控制相对容易，可靠性高。

4.行为功能设计包括：板卡行为逻辑设计、驱动支持程序改进设计、ARINC429协议配合设计。

板卡行为逻辑提供以下功能：CPCI总线通讯，ARINC429总线通讯，热插拔管理，调试接口管理。CPCI总线通讯采用借助专用桥芯片的方式完成，则CPCI功能板卡的逻辑控制只需要针对PCI9054的Local端进行设计，通过对PCI9054控制逻辑的研究和编程实现完成CPCI总线通讯。ARINC429总线通讯与此类似，也是对HI-3585进行相关操作来实现。热插拔管理功能相对简单，主要是针对MIC2580的回馈信号进行板卡电源安全的报告。调试接口管理功能在板卡的调试阶段使用，用于反馈测试结果和逐步修正控制程序。在板卡全部制作完成后，也起到反映工作状态和显示热插拔测试结果的功能。

驱动支持程序改进设计是针对VxWorks系统对板卡的识别能力不足以及缺少针对热插拔事件的动态响应能力等问题而进行的相应改造。VxWorks系统属于开源操作系统，可以在操作系统源代码的基础上进行修改，添加所需要的功能。VxWorks系统默认BSP中的PCI驱动并不支持硬件板卡的热插拔功能，因此必须对其进行改造。这包括如下部分：改造BSP中对CPCI总线设备的初始化过程，使得原版BSP能够识别并操作随时插入PCI插槽上的CPCI总线设备；改造中断链管理的功能函数，使系统能够按照系统热备份需求增加或者摘除中断向量及中断服务程序；增加对热插拔设备的驱动部分，主要内容在于对CPCI设备的动态检测，能够识别新插入或拔出CPCI总线插槽的总线设备，并动态管理当前可操作设备。在系统改造过程当中，设备类型的识别是一大问题，一般可采用的方式包括以下两种：通过改变配置寄存器中的DeviceID或subID进行识别，另一种方法是通过局部总线端某地址的读取进行类型校验。前者的优势在于使用方便，而后者在实际应用当中则更加灵活，因此采用后一种方法校验和识别设备类型。除此之外，系统改写中最大难度来源于设备变动时资源的分配、调用以及动态初始化所产生的问题。从嵌入式系统源代码可知，系统启动时就需要对卡槽上的设备进行初始化和资源分配，这一部分资源一经建立就不能再重复添加，如果设备发生了变化则只能通过修正对应关系的方式进行调整，因此一旦改变了设备在插槽中的先后顺序就会出现逻辑错误。在本发明中采用如下方式进行改造：在定时执行的线程任务中，利用设备扫描函数不断扫描设备计数值，若一次循环后所得到的设备计数值与上一循环所得的计数值不同，则说明有设备移除或新设备接入(注：扫描时间定为1000毫秒，时间内不可能同时有设备移除和新设备接入同时发生，这种情况也不符合实际使用需求)，进而需要更新设备资源的对应关系，依次初始化设备并进行读校验类型识别，最后将变更结果通知给上位机。

ARINC429协议配合设计在具体工作中，通过利用ARINC429协议中规定的ARINC429字中的1-8标号位和30-31符号状态位，进行设备工作状态信息的反馈，如当设备发生故障时，板卡或系统通过判断确认发生了故障需要进行相关报告，将对下一次要传输的ARINC429字进行改动，数据位仍保持正常数据尝试进行传输数据，但通过标号位报告产生了设备故障，并根据故障识别能力的设计不同给出具体的故障类型或简单报为未知故障，同时通过符号状态位指出产生故障的设备位置或编号信息。通过ARINC429字中存在的相关预留状态位同时发送原本应传输的数据和故障信息，可以使得上层的VxWorks驱动程序自发的进行错误检测、检测到设备故障和执行备用设备替换当前设备投入工作，即使该次数据传输不成功，也可以因为备用设备的立即替代工作实现数据的无延迟或极低延迟不间断传输，从而实现对高可用热插拔的支持和系统的高可靠性工作。

3.本发明的优点在于：

(1)可以通过热插拔技术实现在系统不关闭电源的情况下替换故障设备。

(2)通过结合ARINC429协议，实现高可用热插拔，由系统主动检测故障和替换故障设备。

(3)模块化设计使得可以方便的在本设计的基础上进行进一步改动和升级。

附图说明

图1本发明整体结构示意图

图2板卡整体结构示意图

具体实施方式

1.本发明整体结构如图1所示。其包括物理支持模块和行为功能模块。具体来说，通过VxWorks主程序加载驱动，控制板上FPGA，进行板卡基础功能的支持，同时VXWorks热插拔支持程序负责对ARINC429字中的故障反馈字进行监测，并支持热插拔过程的顺利进行。

2.物理支持模块设计所涉及的板卡整体结构如图2所示。包括如下部分：板上主控逻辑模块、热插拔电源管理模块、CPCI通讯模块、ARINC429通讯模块。

板上主控逻辑模块用于实现板卡上的行为逻辑设计，主要由型号为EP1C6Q240C8的FPGA和相关的辅助模块设计组成；

热插拔电源管理模块用于保护板卡进行安全的进行热插拔，主要由MIC2580热插拔电源管理芯片、采样电阻和MOS管IRF7413A组成；

CPCI通讯模块用于支持板卡进行符合CPCI协议的通讯，主要由PCI协议桥芯片PCI9054和相关配置设计组成；

ARINC429通讯模块用于支持板卡进行符合ARINC429协议的通讯，主要由ARINC协议支持芯片HI-3585和相关辅助设计组成。

板上主控逻辑模块在板卡上负责作为中枢控制热插拔电源管理模块、CPCI通讯模块和ARINC429通讯模块。热插拔电源管理模块向板上主控逻辑模块报告电源健康状态并接受关闭指令，CPCI通讯模块和ARINC429通讯模块接受板上主控逻辑模块的控制，将信息发送给外部接收端和从外部相应的CPCI接口与ARINC429接口接受信息。

以上4个模块联合工作，具体参见板上主控逻辑模块说明，以此实现对ARINC429通讯的基础功能的支持和对热插拔功能的支持。板上主控逻辑模块通过控制CPCI通讯模块和ARINC429通讯模块，进行相应的数据发送和接收，完成ARINC429通讯的基础功能部分。板上主控逻辑模块通过监测热插拔电源管理模块提供的电源安全信号，保证热插拔过程安全。CPCI通讯模块在热插入后报告EEPROM中的配置信息，使得VxWorks系统可以根据设备号等信息安排系统资源，完成加载驱动，使得板卡可以正常工作，以此实现热插入后的板卡投入工作。

3.行为功能模块设计包括：板卡行为逻辑设计、驱动支持程序改进设计、ARINC429协议配合设计。

板卡行为逻辑设计基于板卡上FPGA进行设计，实现基础功能和与上层VxWorks程序配合执行高级行为命令。

驱动支持程序改进设计主要是在VxWorks主程序和驱动程序的基础上针对热插拔功能进行改进，从而实现对热插拔能力的支持。

ARINC429协议配合设计主要是通过利用ARINC429协议中规定的ARINC429字中的1-8标号位和30-31符号状态位，进行设备工作状态信息的反馈，从而使得上层的VxWorks驱动程序可以自发的进行错误检测和执行备用板卡替换当前板卡投入工作，从而实现对高可用热插拔的支持和系统的高可靠性工作。

4.典型应对故障的工作顺序为：

(1)板卡在传输ARINC429数据时检测到自身出现故障，数据传输不正确或由其他方式发现故障时，在下一个要传输的ARINC429字中对特定字段改写，反馈故障；

(2)接收板卡在接收到故障信息或发现传输数据出错时，向VxWorks系统报告故障。

(3)VxWorks程序自动断开工作故障的主卡，启用备卡，完成高可用热插拔启动流程，使得传输任务继续。

(4)系统恢复正常工作，等待工作人员处理故障板卡。

(5)主卡故障处理完或替换为新的未故障主卡后，操作人员提示系统将备卡切换至主卡继续不间断的工作。

Claims

1.一种CPCI-ARINC429热插拔系统，其特征在于：它由为高可用热插拔专门设计的物理支持模块和针对ARINC429协议改进的行为功能模块组成，在物理支持模块为系统提供安全保障和功能实现条件的基础上，通过结合ARINC429协议相关内容进行设计的行为功能模块，使得其可以针对主动更换设备或出现故障等不同的情况采取合适的行为与处理措施，从而具有支持CPCI下的高可用热插拔的能力，基础的实现热插拔需要实现安全插拔和驱动板卡或释放板卡资源，保障安全插拔部分由物理支持模块负责，驱动板卡或释放板卡资源由行为功能模块负责，除此之外，为提升热插拔等级，物理支持模块和行为功能模块还增加了额外的支持功能。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所包含的物理支持模块由以下部分组成：板上主控逻辑模块、热插拔电源管理模块、CPCI通讯模块、ARINC429通讯模块；

ARINC429通讯模块用于支持板卡进行符合ARINC429协议的通讯，主要由ARINC协议支持芯片HI-3585和相关辅助设计组成；

物理支持模块中的各模块协同工作，实现对CPCI-ARINC429热插拔系统基础功能和热插拔功能的支持；

板上主控逻辑模块作为板卡中的控制中枢，负责接收热插拔电源管理模块、CPCI通讯模块和ARINC429通讯模块的信号与数据，并经过控制逻辑设计后控制其他模块，以实现对板卡的有序控制；

热插拔电源管理模块负责对CPCI输入电源进行监测、控制和缓冲，在热插拔过程和正常工作过程中为其他部分提供安全的电源；

CPCI通讯模块作为物理支持模块与CPCI机箱间的通讯中介，通过与CPCI机箱中的系统和物理支持模块中的板上主控逻辑模块进行通讯，实现物理支持模块与CPCI机箱的通讯；

ARINC429通讯模块作为物理支持模块与外界ARINC429接口间的通讯中介，通过与外界ARINC429接口和物理支持模块中的板上主控逻辑模块进行通讯，实现物理支持模块与外界ARINC429接口的通讯。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所支持的相关行为功能模块有以下特点：在满足实现系统进行ARINC429和CPCI通讯的基础功能之上，通过利用ARINC429协议中规定的ARINC429字中的1-8标号位和30-31符号状态位，进行设备工作状态信息的反馈，从而使得上层的VxWorks驱动程序可以自发的进行错误检测和执行备用板卡替换当前板卡投入工作，进而实现对高可用热插拔的支持和系统的高可靠性工作；

行为功能模块在物理支持模块的基础上执行相关操作，从而实现具有支持CPCI下的高可用热插拔的能力。