文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.004
中文引用格式： 夏大鵬，辛江波，潘彬，等. 基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊設計與實現[J].電子技術應用，2016，42(4)：15-17.
英文引用格式： Xia Dapeng，Xin Jiangbo，Pan Bin，et al. The design and implementation of the module based on AFDX network end system chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(4)：15-17.
0 引言
目前，國內外研制的AFDX網絡端系統模塊基本是依靠FPGA邏輯與軟件相結合的方式來實現協議解析和數據收發功能。由于基于FPGA實現的AFDX網絡端系統產品功耗、體積以及可靠性難以滿足惡劣機載環境應用需求，本文介紹了基于AFDX網絡端系統芯片實現的模塊設計，解決了制約AFDX網絡發展的瓶頸，對我國航空電子系統的發展及自主研究具有重要的意義[1]。
基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊是一款集成HKS664ES型端系統SoC芯片的網絡傳輸通信設備，其端系統芯片內部集成ARM922T處理器，利用該芯片上的高性能處理器實現傳輸層及網絡層的協議處理，從而實現AFDX網絡數據幀的收發。該模塊的成功研制在國內尚屬首次，打破了國外在AFDX網絡端系統傳輸卡方面的技術封鎖和產品壟斷，并擁有自主知識產權，解決了國內AFDX網絡產品受制于人的困境，為AFDX網絡在國內的應用及發展做出了重要貢獻。
1 模塊設計
1.1 功能
基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊具有高度的靈活性，通過將高性能的AFDX網絡端系統接口與主機處理器連接，實現AFDX網絡數據的收發功能。該模塊采用雙余度的AFDX網絡端口，完全符合ARINC664協議，發送支持128個VL，接收支持4 096個VL，具有流量規整、接收幀過濾等功能[2-3]，并提供了3種類型的接口：PMC接口、PCI接口和CPCI接口[4]。
本文提出的基于端系統芯片的模塊設計方案采用軟硬件協同設計方法，以工程化、模塊化、通用化的標準進行硬件模塊設計，同時以層次化結構設計，簡化AFDX端系統傳輸卡軟件體系架構，提高軟件可移植性和重用性設計，使系統具有良好的維護性、通用性。
1.2 硬件設計與實現
基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊架構設計靈活，通過更換連接器接口滿足不同的功能需求，從而實現了一種多功能、低成本的模塊設計。本模塊設計原理圖如圖1所示，核心芯片采用HKS664ES型芯片，實現數據的收發，外部功能單元包括時鐘電路、電源轉換電路、復位電路、串行接口電路、主機接口電路等[5]。
1.2.1 時鐘電路
模塊工作過程中，外部提供系統時鐘、RTC時鐘、PCI時鐘3個時鐘源。系統設計中，基于HKS664ES芯片設計需要提供一個25 MHz外部晶振作為系統時鐘，一個2 MHz外部晶振作為RTC輸入時鐘，另外PCI總線時鐘需要外部主機提供33 MHz輸入時鐘[6]。
系統集成者需要規定總線時鐘振蕩器的時鐘質量和溫度穩定性，即在某些溫度下的精確度以及在整個溫度范圍內此精確度的變化范圍。在整個溫度范圍內，時鐘質量應確保總的漂移不超過100 ppm。
1.2.2 復位電路
基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊提供了系統復位、JTAG復位、PCI總線復位，具體接口定義如表1所示。
系統復位信號由外部的復位芯片提供，用于啟動或者重新啟動主機處理器。
PCI總線接口復位信號，由PCI主機產生，用于復位包括PLL在內的所有ES邏輯。復位信號有效時，ARM922T處理器進入預定的復位狀態。
調試口復位由外部調試工具產生，用于復位ARM922T處理器的調試接口[7]。
1.2.3 主機接口電路
模塊的主機接口符合32位、33 MHz PCI總線規范，兼容PCI2.2版本規定，PCI總線接口電平3.3 V。支持SLAVE和MASTER兩種總線控制模式，SLAVE模式用于數據傳輸的管理接口，供宿主機直接訪問，用來配置和查詢端系統通信端口信息；MASTER模式用于數據搬運，根據通信端口信息，直接啟動DMA控制器，在宿主機內存和模塊內部片上存儲器之間進行數據交換[8]。
1.3 軟件設計與實現
航空電子通信系統劃分成五層協議：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。模塊通信軟件遵循航空電子通信系統軟件層次結構劃分，如圖2，其中，物理層與數據鏈路層由接口模塊上的硬件實現；傳輸層由固化于接口模塊上的傳輸軟件實現，主要負責接口模塊的初始化、發送以及接收；應用軟件和驅動軟件駐留在主機中，其中驅動層主要實現應用層和傳輸層之間數據信息的傳遞，并為上層應用軟件提供API接口函數；應用軟件與特定的子系統有關，通過調用MBI驅動軟件實現子系統功能要求。
模塊軟件分為兩個相對比較獨立的部分：傳輸軟件和驅動軟件。傳輸軟件運行在模塊上，負責實現應用層以下的數據傳輸協議棧的處理，傳輸軟件符合ARINC664 part7規范中定義的端系統協議層，實現UDP/IP協議，配合主機驅動進行端口管理和調度；驅動軟件運行主機上，為應用程序提供標準的API接口，用戶可根據提供的配置信息完成配置表的加載、端口創建，實現模塊與主機應用軟件之間的接口控制與數據傳輸，軟件結構功能劃分如圖3所示。
1.4 技術優勢
目前，國內外研制的AFDX網絡端系統模塊主要有兩種方式：一種是基于FPGA實現的AFDX網絡端系統模塊，另外一種是基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊。前者在功耗、體積以及可靠性方面難以滿足惡劣機載環境應用需求；后者具有功耗低、體積小、可靠性高等優勢，主要對比如表2所示。
由表2可以看出，基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊MTBF提高1/5，失效率較少1/5，功耗降為1/2，在各方面都具有較高的優勢。
該模塊采用的核心協議處理芯片是國內首款完全具有自主知識產權的核心AFDX網絡端系統芯片，作為通過軍用電子元器件B級鑒定的自研軍用核心關鍵元器件，成熟度高，具有完全自主知識產權，符合國家“元器件國產化率”的要求。
2 模塊驗證
截止目前，基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊已通過摸底試驗、板級測試、德國AIM公司、TechSat公司AFDX網絡協議符合性測試，充分驗證后，表明基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊滿足功能要求，并在性能、功耗、重量、成本、溫度范圍上具有顯著優勢，且滿足國產化要求。
基于HKS664ES端系統芯片的模塊已經在某型號任務機上使用，試用過程中經歷了C階段、S階段的所有驗證，設計、檢驗全部按照型號任務要求進行設計、實驗、評審和質量管控，芯片配套軟件嚴格按照GJB5000A三級要求研制。
3 結論
本文提出的基于自研AFDX網絡端系統芯片的模塊已經成功應用于某型號任務機，并隨整機完成了首飛。經過充分的驗證與廣泛的應用，該模塊被一致認為是一款滿足AFDX網絡協議、集成度高、安全可靠的端系統模塊。該模塊的成功研制打破了國外在AFDX網絡端系統的產品壟斷，對我國研發具有自主知識產權的AFDX網絡具有重要意義。
參考文獻
[1] 劉蕓，王紅春.AFDX端系統協議軟件設計與實現研究[J]．電光與控制，2012，19(11)：71-76．
[2] 楊峰，田澤.基于USB接口的AFDX網絡TAP卡設計與實現[J]．測控技術，2013，32(5)：77-81．
[3] 王治，田澤.一種高性能AFDX監控卡的實現技術研究[J]．計算機技術與發展，2010，20(8)：217-220．
[4] 趙永庫.新一代航空電子總線系統結構研究[J]．航空計算技術，2005，35(1)：99-103．
[5] 劉志武，白楊.AFDX網絡端系統數據接收方法研究與實現[J]．微型機與應用，2013，32(21)：48-54．
[6] 趙永庫，李貞.AFDX網絡協議研究[J]．計算機測量與控制，2012，20(1)：8-10．
[7] 張志，翟正軍.基于FPGA的AFDX端系統協議芯片的設計與實現[J]．計算機測量與控制，2010，18(2)：422-425．
[8] 張榮華，田澤.AFDX網絡端系統芯片架構的研究與設計[J]．計算機技術與發展，2011，21(8)：165-172．