基于AFDX的跨總線ARINC615協(xié)議軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

摘要：ARINC615協(xié)議定義了一種基于ARINC429總線的數(shù)據(jù)加卸載方法，在以AFDX網(wǎng)絡(luò)為核心的航電網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)加載器一般為基于AFDX通信的端系統(tǒng)設(shè)備，為了完成航電網(wǎng)絡(luò)加載器對ARINC429總線設(shè)備的加載，文章提出了一種基于AFDX的跨總線加載結(jié)構(gòu)，采用有窮狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)了ARINC615協(xié)議的功能，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于ARINC615協(xié)議的應(yīng)用軟件，保證了文件傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?br />關(guān)鍵詞：ARINC615協(xié)議；AFDX協(xié)議；文件傳輸；軟件

0 引言
ARINC615協(xié)議定義了一種機(jī)載計算機(jī)高速數(shù)據(jù)加載器，基于ARINC429總線完成對機(jī)載計算機(jī)的數(shù)據(jù)上傳和下載功能。在以AFDX網(wǎng)絡(luò)為主干網(wǎng)絡(luò)的航電網(wǎng)絡(luò)中，以AFDX網(wǎng)絡(luò)為核心，外圍通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元掛載ARINC429總線設(shè)備，航電網(wǎng)絡(luò)加載器一般是基于AFDX通信來完成航電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加卸載功能，導(dǎo)致對ARINC429總線設(shè)備的加載需要通過基于AFDX通信的網(wǎng)絡(luò)加載器來完成，針對此問題，本文將ARINC615協(xié)議加載端移植到基于AFDX通信的航電網(wǎng)絡(luò)加載器上，提出一種基于AFDX的跨總線ARINC615協(xié)議軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)方法，并設(shè)計應(yīng)用層的加卸載方案，實(shí)現(xiàn)了航電網(wǎng)絡(luò)加載器和目標(biāo)機(jī)的數(shù)據(jù)文件加卸載功能。

1 ARINC615協(xié)議概述
ARINC615協(xié)議是基于ARINC429總線的數(shù)據(jù)加卸載協(xié)議，其加載端和目標(biāo)機(jī)均需支持ARINC429基本數(shù)據(jù)通信，在ARINC429基本通信的基礎(chǔ)上，ARINC615協(xié)議定義了一系列的規(guī)則，通過握手一響應(yīng)一確認(rèn)機(jī)制來完成數(shù)據(jù)在加載端和目標(biāo)機(jī)的傳輸過程。
1．1 基本協(xié)議層交互定義
429總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元長度為32位，因此ARINC615協(xié)議的命令及數(shù)據(jù)傳輸均是基于32位的數(shù)據(jù)包進(jìn)行。ARINC615協(xié)議的數(shù)據(jù)通信的交互命令定義如表1所示。

如表1所示，ARINC615協(xié)議交互命令分為初始字命令、中間字命令和結(jié)束字命令三種。三種命令數(shù)據(jù)格式中第32位為奇偶校驗(yàn)位，第1到8位為429的Label號標(biāo)識，第30和31位區(qū)別三種類型的命令。初始字命令用于數(shù)據(jù)傳輸前的命令交互握手，其數(shù)據(jù)格式中第23位到第29位標(biāo)識不同類型的初始字命令，RTS命令用于發(fā)送請求命令，其9到15位標(biāo)識本次發(fā)送請求要發(fā)送的記錄個數(shù)；CTS命令用于對RTS命令的響應(yīng)，其9到15位標(biāo)識可接收的記錄個數(shù)；DF命令表明開始數(shù)據(jù)傳輸，其16到22位標(biāo)識當(dāng)前傳輸?shù)挠涗浶蛱枺?到15位標(biāo)識當(dāng)前傳輸?shù)挠涗浀目傋止?jié)數(shù)；AC K和NAK命令標(biāo)識對數(shù)據(jù)接收的確認(rèn)，其16到22位均標(biāo)識其確認(rèn)的記錄序號；SYN命令用于加載端和目標(biāo)機(jī)的同步；HDR命令通過第16到22位的命令字段來發(fā)起包括讀數(shù)據(jù)塊、寫數(shù)據(jù)塊、加載完成、進(jìn)入自動模式等命令；加載端發(fā)送POL命令來探測有可能的自動下載操作。中間字主要用于傳輸數(shù)據(jù)，DATA命令中第8到24位為數(shù)據(jù)段，包含兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。結(jié)束字用于每個記錄傳輸完成后的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和傳輸。
1．2 配置文件定義
在ARINC615協(xié)議的加載端，需定義配置文件CONFIG．LDR，用于對加載端上傳和下載操作進(jìn)行定義和描述。CONFIG．LDR文件中配置參數(shù)格式描述如下：
parameter_id=parameter valueCR，LF>
其中parameter_id為一個變長字段，包含了要定義的配置參數(shù)名，配置參數(shù)名中可包含一個數(shù)字‘n’，標(biāo)識所定義的參數(shù)為第幾條總線參數(shù)，n的范圍為1～8，如BlP用于定義第一條總線的優(yōu)先級。parameter_value為具體的配置參數(shù)值，對于有多個參數(shù)值的配置參數(shù)，參數(shù)值之問用逗號隔開。CR，LF>為回車換行符。
CONFIG．LDR配置文件主要配置參數(shù)的定義及其含義如表2所示。

表2中給出了CONFIG．LDR文件中主要參數(shù)的定義，包括總線屬性定義、總線優(yōu)先級定義、總線發(fā)送文件定義及總線接收文件定義等。
1．3 協(xié)議功能定義
ARINC615協(xié)議將要上傳或下載的文件分為多個塊(block)，每個塊大小由CONFIG．LDR中BnT屬性定義，默認(rèn)每個塊大小為1024字節(jié)，在每次數(shù)據(jù)傳輸過程中，將塊又細(xì)分為記錄(record)，對于上傳操作，每個記錄大小范圍為0～252字節(jié)，對于下載操作，每個記錄大小為0～254字節(jié)，每次數(shù)據(jù)交互以一個記錄為單位進(jìn)行。
協(xié)議的功能基于基本交互命令實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的主要功能定義如下：
(1)通信初始化。加載器讀取配置文件的內(nèi)容，根據(jù)配置文件的信息選擇上傳或下載操作，發(fā)送初始化命令，收到目標(biāo)機(jī)響應(yīng)后，進(jìn)入上傳或下載操作；
(2)上傳操作。上傳操作分為通信初始化后直接上傳、控制模式文件選擇上傳、控制模式下上傳。
通信初始化后直接上傳：總線配置文件的上傳文件是目標(biāo)機(jī)端需要的，在通信初始化完成后，直接向目標(biāo)機(jī)上傳文件。
控制模式文件選擇上傳：總線配置文件的上傳文件不是目標(biāo)機(jī)端需要的(或者未定義上傳文件)，目標(biāo)機(jī)端發(fā)起控制模式命令，加載器進(jìn)入控制模式。在控制模式下，目標(biāo)機(jī)需要在指定文件后進(jìn)入直接上傳模式，加載器向目標(biāo)機(jī)上傳文件。
控制模式下上傳：總線配置文件的上傳文件不是目標(biāo)機(jī)端需要的(或者未定義上傳文件)，目標(biāo)機(jī)端發(fā)起控制模式命令，加載器進(jìn)入控制模式。在控制模式下，目標(biāo)機(jī)控制整個數(shù)據(jù)傳輸過程，目標(biāo)機(jī)指定需要的文件，從加載器讀取數(shù)據(jù)。
(3)下載操作。下載操作分為通信初始化后直接下載、控制模式文件選擇下載、控制模式下下載。
通信初始化后直接下載：總線配置文件的下載文件是目標(biāo)機(jī)端需要的，在通信初始化完成后，加載器等待目標(biāo)機(jī)傳輸文件，當(dāng)目標(biāo)機(jī)準(zhǔn)備好后，向加載器發(fā)送數(shù)據(jù)文件。
控制模式文件選擇下載：總線配置初始化為自動上傳或自動下載，目標(biāo)機(jī)發(fā)送控制模式命令，進(jìn)入控制模式，在控制模式下，目標(biāo)機(jī)打開文件進(jìn)行寫操作后，轉(zhuǎn)入直接下載模式，向加載器發(fā)送數(shù)據(jù)文件。
控制模式下下載：總線配置初始化為自動上傳或自動下載，目標(biāo)機(jī)發(fā)送控制模式命令，進(jìn)入控制模式。在控制模式下，目標(biāo)機(jī)控制整個數(shù)據(jù)傳輸過程，打開文件后向加載器寫入文件數(shù)據(jù)。

2 跨總線加載方案設(shè)計
跨總線加載方案定義了一種基于AFDX的加卸載方法，其加載端基于AFDX通信協(xié)議運(yùn)行，目標(biāo)機(jī)基于ARINC429協(xié)議運(yùn)行。
跨總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖1所示。加載器與目標(biāo)機(jī)端之間通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連接，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)完成ARINC664協(xié)議到ARINC429協(xié)議的轉(zhuǎn)換。加載器端
底層基于ARINC664總線，通過協(xié)議映射層完成AFDX數(shù)據(jù)到ARINC429數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以支持ARINC615協(xié)議加載端的運(yùn)行。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ARINC66 4協(xié)議和ARINC429協(xié)議的雙向轉(zhuǎn)換工作，定義了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則。在數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)上需維護(hù)(AFDX發(fā)送端口號，AFDX接收端口號，429設(shè)備標(biāo)號)的映射關(guān)系表。當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)收到一個AFDX數(shù)據(jù)包時，利用AFDX接收端口號查找映射關(guān)系表，可以取得這個AFDX數(shù)據(jù)的目的429設(shè)備，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)解析AFDX數(shù)據(jù)包，進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換為N429數(shù)據(jù)，發(fā)往目的429設(shè)備。而當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接收到一個429數(shù)據(jù)包時，利用429設(shè)備標(biāo)識查找映射關(guān)系表，獲得429設(shè)備對應(yīng)的AFDX發(fā)送端口號，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換封裝為AFDX數(shù)據(jù)幀，通過查找到的AFDX發(fā)送端口號發(fā)送出去。
由于ARINC615交互數(shù)據(jù)及429設(shè)備數(shù)據(jù)均為32位長度，而對于AFDX網(wǎng)絡(luò)來說，每次傳輸數(shù)據(jù)只傳輸32位有效數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬會造成較大浪費(fèi)，因此，在數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換層需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，即數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⒍鄠€32位429數(shù)據(jù)封裝到一個AFDX數(shù)據(jù)包中進(jìn)行傳輸，同時在接收到一個包含多個32位ARINC615協(xié)議數(shù)據(jù)的AFDX數(shù)據(jù)包時，能夠?qū)⒚總€ARINC615協(xié)議數(shù)據(jù)解析出來，依次拆分為32位ARINC429協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3 基于有限狀態(tài)機(jī)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)
在ARINC615協(xié)議的上傳和下載過程中，每一時刻加載端和目標(biāo)機(jī)都處于一個特定的狀態(tài)，而且所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)是確定的，定義軟件開始運(yùn)行時狀態(tài)為初始狀態(tài)，當(dāng)有輸入事件時，軟件整個過程按照狀態(tài)機(jī)開始跳轉(zhuǎn)運(yùn)行，直至運(yùn)行至終止?fàn)顟B(tài)。
因此，可以根據(jù)ARINC615協(xié)議，抽象出加載端及目標(biāo)機(jī)軟件運(yùn)行的各個狀態(tài)類型，按照表3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表整理協(xié)議中所有的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移流程。

表3中，當(dāng)前狀態(tài)指當(dāng)前軟件所處的狀態(tài)，在輸入事件的情況下，調(diào)用處理函數(shù)后運(yùn)行至下一狀態(tài)。一個當(dāng)前狀態(tài)可對應(yīng)多個輸入事件，分別調(diào)用對應(yīng)的處理函數(shù)，進(jìn)入不同的下一狀態(tài)。按照表3建立ARINC615協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，并按照功能實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)在輸入事件下的處理函數(shù)，軟件即可依照狀態(tài)轉(zhuǎn)移表運(yùn)行，狀態(tài)機(jī)運(yùn)行的接口定義如下：

其中init_state為狀態(tài)機(jī)起始運(yùn)行的狀態(tài)，init_event為狀態(tài)機(jī)初始的輸入事件，exit_state為狀態(tài)機(jī)的結(jié)束狀態(tài)，exit_event為狀態(tài)機(jī)的退出事件，session和parameter兩個參數(shù)記錄了狀態(tài)機(jī)運(yùn)行過程中的會話和參數(shù)信息。通過StateMachine接口，可完成ARINC615協(xié)議的自動運(yùn)行。

4 基于ARINC615協(xié)議的應(yīng)用軟件
ARINC615協(xié)議定義了文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，基于ARINC615協(xié)議，設(shè)計應(yīng)用層軟件，實(shí)現(xiàn)一種工程上可靠、實(shí)用的文件上傳和下載功能。在應(yīng)用軟件中，主要的功能包括：
(1)加載端和目標(biāo)機(jī)端要傳輸?shù)奈募墨@取，保證加載端和目標(biāo)機(jī)端都能夠知道要對方上傳和下載的文件的文件名；
(2)文件傳輸最后填充字節(jié)的識別和剔除，避免由于ARINC615協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸過程中為了字節(jié)對齊而填充的數(shù)據(jù)對文件正確性的影響。
應(yīng)用層軟件的加載端和目標(biāo)機(jī)端的工作流程如圖2所示。

如圖2所示，在加載端，定義了CONFIG．LDR文件，在該文件中，定義加載端發(fā)起自動上傳操作，且第n條總線上要上傳的文件名為File List[n]，其中n代表第n條總線，其取值范圍為1～8，在FlieList文件中定義了加載端要上傳和要下載的文件名稱，及該文件對應(yīng)的屬性(上傳或者下載)。軟件開始運(yùn)行后，由加載端解析CONFIG．LDR配置文件，發(fā)起自動上傳操作，加載端和目標(biāo)機(jī)端進(jìn)入自動上傳模式，由加載端將約定好的FileList[n]文件傳輸至目標(biāo)機(jī)端，文件傳輸完成后，加載端等待目標(biāo)機(jī)端的控制模式命令。目標(biāo)端在接收到FileList文件后，解析該文件，獲取加載端要上傳的文件名及要下載的文件名后，發(fā)起控制模式命令，加載端和目標(biāo)機(jī)端均進(jìn)入控制模式。在控制模式下，由目標(biāo)機(jī)端控制文件的上傳和下載，目標(biāo)機(jī)根據(jù)解析的要上傳和下載的文件名，對于要上傳的文件，目標(biāo)機(jī)端發(fā)起讀操作，從目標(biāo)機(jī)端讀取上傳文件；對于加載端要下載的文件名，目標(biāo)機(jī)端發(fā)起寫操作，向加載端寫入數(shù)據(jù)文件。對于定義了多條總線的CONFIG．LDR配置文件，加載端按照總線優(yōu)先級依次進(jìn)行如圖2所示的文件傳輸流程，直至所有總線上定義的數(shù)據(jù)文件均傳輸完成。
ARINC615協(xié)議中每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€DATA命令傳輸兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，在協(xié)議中規(guī)定了當(dāng)文件傳輸最后僅剩一個字節(jié)時，需填充一個字節(jié)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這就導(dǎo)致了在文件傳輸過程中，對于要上傳或下載的奇數(shù)字節(jié)文件，在文件傳輸完成后，會出現(xiàn)多一個填充字節(jié)的問題。在應(yīng)用軟件設(shè)計中，利用DATA命令中協(xié)議未定義的第25位作為判斷標(biāo)識位，在正常的文件傳輸下，該位標(biāo)識為0，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)填充后，將該位置標(biāo)識為1，在文件接收端，如果發(fā)現(xiàn)該位為1，則能夠確認(rèn)接收到的數(shù)據(jù)中有一個字節(jié)的填充，這樣可以將填充的字節(jié)剔除，從而保證了文件的正確性。

5 結(jié)語
文章介紹了AIRNC615的基本原理，提出了一種基于AIRNC615的跨總線加載結(jié)構(gòu)，采用有窮狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)了AIRNC615協(xié)議的功能，從工程應(yīng)用的角度，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于AIRNC615協(xié)議的應(yīng)用軟件，保證了文件傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>