一种基于ARM的双余度远程接口单元设计

范新明，赵 君，刘国美，陈亚玲，庞 鹏)

(1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.北京计算机技术及应用研究所，北京 100854)

0 引言

飞机机电系统是飞机中执行飞行保障功能子系统的总称，主要包括燃油系统、动力系统、供电系统、液压系统和环境控制系统等[1-3]。在目前飞机的分布式架构中，远程接口单元(简称RIU)扮演越来越重要的角色。远程接口单元就近采集传感器信号，通过总线将数据上传到飞行管理计算机(VMC)，同时接收飞行管理计算机的指令，执行相应的输出和作动[4]。这种近端采集，远端传输的架构，显著地减少了以往分布式架构中点到点信号电缆的使用。这不仅增强了电缆的可靠性，还简化了航空器电线互联系统的安装、维护和验证[5]。为了提高系统的可靠性和安全性，本文以ARM作为处理器，设计了一种双余度远程接口单元(简称DRIU)。DRIU具有双余度飞管总线接口和双余度输入/输出接口，双余度同时工作实现了飞机机电系统数据采集、集中解算和分布式控制。经系统联试试验证明，DRIU可以显著提高系统的可靠性和安全性，具有一定的工程实用价值。

1 DRIU架构

DRIU以ARM作为处理器，采用FPGA作为IO接口管理单元。FPGA、SRAM、FLASH、NVRAM等作为外设接在ARM的FSMC接口，ARM通过FMSC接口与外设进行数据交互。ARM处理器，内部集成FPU，主频高，具有DSP指令能力，片内FLASH和RAM容量大，同时具备SPI、AD/DA、UART、CAN、FSMC等接口，易于开发和后续扩展。DRIU架构见图1。

图1 双余度远程接口单元架构

设计的DRIU具有以下技术特征：

1) DRIU是VMC总线环路上的数据终端，DRIU完成飞机机电设备状态数据采集、执行输出控制及与VMC之间的数据传输；

2) 每个DRIU均采用智能控制器实现模块的输入输出接口控制和管理，并且可记录和存储DRIU产品信息和故障代码,DRIU上电可根据外部机位识别其安装位置；

3) 每台DRIU配置了双余度1394B远程节点(RN)，DRIU通过1394B总线接口与VMC交联，其应用层协议参考SAE AS5643，同时DRIU可通过1394B总线完成软件加载；

4) 每台DRIU以飞机管理系统总线周期为基准，实现DRIU内部的输入输出统一进行管理和调度；

5) 每台DRIU接口功能具备灵活的余度配置能力，可满足系统对接口的单/双余度需求；

6) 减少接口类型设计，通过不同接口间的组合可实现对飞机不同传感器接口或负载的状态监测及控制；

7) 接口可进行灵活配置，节约接口数量。

2 余度方案设计

DRIU通过CCDL实现双通道数据的实时共享，功能模块故障后能进行数据重组，在周期任务内完成从数据采集、数据处理、指令输出的闭环控制流，具有较强的控制实时性的余度管理策略。

1) 双余度之间数据实时共享，该架构在双余度之间设计双向、高速、实时通讯总线，完成双通道之间的数据传输，同时在每个通道内部设置缓冲区，完成每个周期内的对方通道数据的存储；

2) 通道内功能模块故障后进行故障隔离，该架构在每个通道内部，各功能模块之间设置状态监控，在一个通道内部，当任何一个功能模块出现故障后，能快速、准确的定位，并进行隔离；

3) 产品功能故障时，双通道依靠数据实时共享进行资源重组，建立正常的数据流通道，只要非故障功能模块满足一套完整的余度资源，则该架构的产品就能完成系统功能。

根据交联信号在DRIU内部的不同交联方式，设计了三种不同的余度方案策略，分为混合双余度方案、全双余度方案和总线双余度方案。余度设计方案见图2,交联信号在DRIU产品内部具有如下特点：

图2 DRIU余度方案

1) 余度信号分别与两个通道进行交联，无冗余信号只与A或B通道交联；

2) 每个通道独立采集输入信号；

3) 接口采集数据通过CCDL实现自动转发，两个通道都可以获取所有输入数据；

4) 每个通道的CPU通过余度输出策略完成输出操作。

3 DRIU同步策略

DRIU内部具有两个信息处理通道，为了保证两通道在进行比较时所使用的数据是同一时刻采到的数据，必须采用同步设计。

DRIU双通道间的同步，采用软/硬结合的双握手同步算法，每个通道都设计了同步处理策略算法。

DRIU内部ARM间采用双握手同步方式，即通道I和通道II分别通过硬线1和硬线2向对方通道发送同步命令(TTL电平)，再分别通过硬线2和硬线1接收规定的应答信号，若发送与接收一致，则同步成功，该操作连续进行两次(本通道写1，读另一个通道的1，本通道写0，读另一个通道的0)。采用两次握手可以解决同步策略的恒“0”和恒“1”故障。

双通道间的同步包括：上电同步和周期同步。

上电同步是在上电BIT后，进入实时处理前的同步，即上电/初始化模式结束进入正常工作模式之前，如果在约定的时间内失步，则上电同步故障。

周期同步是实时处理过程中，即正常工作模式中，采集输入信息前和输出表决前进行的同步，如果在约定的时间内失步，则周期同步故障。

4 DRIU软件设计

DRIU控制软件为DRIU提供硬件资源的配置、检测、管理与控制功能，共包含3个子配置项：DRIU主控软件、刹车系统控制软件、1394B协议软件。

各子配置项的功能概述如下：

1) DRIU主控软件驻留在DRIU控制器上，可完成DRIU的上电初始化工作，为DRIU提供通过VMS总线从VMC下载数据的功能，并能周期向VMC上传采集接口数据和接口PBIT结果、接收指令执行输出。DRIU主控软件按功能划分主要包括：初始化模块、数据加载模块、主控模块；

2) 刹车系统控制软件:驻留在DRIU控制器上，完成轮速信号、刹车压力信号采集和电流输出，实现刹车的闭环控制；

3) 1394B协议软件驻留在DRIU控制器上，主要为DRIU提供RN初始化、总线数据接收、总线数据发送、状态信息获取和BIT等功能。

5 结束语

本文设计了一种基于ARM的双余度远程接口单元，经过系统联试试验验证，DRIU工作稳定可靠，能够大大提高系统的可靠性和安全性，具备一定的工程实用价值。