綜合模塊化航空電子系統的可靠性設計論文

綜合模塊化航空電子系統的可靠性設計論文

　　1、概述

　　傳統的國內外航空電子系統是基于專用硬件和軟件開發的，現今許多航空電子系統均成功運行于這種配置上。但自20世紀初，航空電子設備設計的復雜性程度己大大提高，這些專用設備的高額全壽命周期費用漸漸成為航空電子系統設計中一個最大的問題。

　　伴隨著該問題而提出的新一代綜合模塊化航空電子(IntegratedModularAvionics,IMA)系統在國外開始研制。新的綜合模塊化航空電子系統通過采用開放式體系結構和標準化以及通用化的設計，大大提高了系統的兼容性、可移植性、可擴展性，并具有較高的可拓展性和可維護性，降低了系統的壽期費用。

　　目前非常具有代表性的IMA系統標準有歐洲的聯合標準化航電系統架構協會(AlliedStandardAvionicsArchitectureCouncil,ASAAC)標準。但是，ASAAC標準側重于考慮系統的模塊化、可擴展性和可維護性，對系統的可靠性考慮不夠詳細。而美國航電委員會提出的ARINC653標準卻對系統的可靠性有非常好的改進。本文參考這2個標準給出一種融合IMA系統可靠性、模塊化、可擴展性設計方法。

　　2、ASAAC系統架構

　　ASAAC標準從軟件結構、機械結構、網絡功能、通信功能和通用模塊方面對綜合模塊化的航空電子系統進行了規定，此外還制定了非強制性的系統實現指導方針。

　　從通用性方面，ASAAC對模塊從功能上進行劃分，包括數據處理模塊、圖形處理模塊、大規模存儲模塊、電源轉換模塊、網絡支持模塊等，規范對模塊的軟件架構和硬件組成都作了嚴格規定，標準化設計為實現資源的重用和系統重構提供了前提條件，同時也提高了系統的可移植性和可維護性。

　　ASAAC模塊軟件體系結構分為以下3層：

　　(1)模塊支持層(ModuleSupportLayer,MSL)，與MSL底層硬件直接通信，提供硬件自檢和時鐘管理等功能，并向操作系統層提供統一的接口金屬氧化物半導體管，同時MSL通過多處理器鏈路接口(MultiprocessorLinkInterface,MLI)的信息進行模塊間的通信，完成系統引導的功能。

　　(2)操作系統層(OperatingSystemLayer,OSL)，OSL包括OS和通用系統管理。OS提供基本的操作系統服務，如事件管理、調度管理、存儲管理、進程管理等，除此之外OS還提供操作系統邏輯接口(OperatingsystemLogicalInterface,OLI)服務，支持模塊之間OSL層的通信，并通過系統管理操作系統(SystemManagementOperatingSystem,SMOS)接口配合GSM進行模塊控制和管理。通過應用操作系統層(APplicationlayerOperatingSystemlayer,APOS)向應用層提供服務接口。在實現中，OS層操作系統可以采用ARINC653分區操作系統。GSM提供系統控制和管理服務，主要包括健康性監控、錯誤管理、配置管理和安全管理等，GSM通過類系統管理邏輯接口與上下級模塊的GSM進行通信，實現對下級模塊的控制和管理，并接受上級模塊的管理。通過系統管理藍圖(SystemManagementBluePrint,SMBP)接口來獲取藍圖信息對系統進行配置和管理。

　　(3)應用層(ApplicationLayer,AL)，航電應用位于該層，應用管理控制和管理此類航電應用。

　　在ASAAC中，使用藍圖來保存整個系統的配置信息，如系統的每個模式使用哪些模塊，各個模塊如何工作，它們如何通信，模塊之間如何管理等。在系統初始化和運行中GSM通過獲取藍圖的信息來對系統進行管理。

　　在機械結構方面，ASAAC對通用模塊的高度、長度和模塊的物理接口、電氣特性等做了規定，對冷卻方式也做了相應描述，使得通用模塊設計標準化和統一化，在很大程度上降低了系統的復雜度，提高了系統的可維護性。

　　ASAAC標準是技術透明的，對所有商家都開放，從而能夠最大限度的運用商業貨架產品。ASAAC設計的航空電子系統目標為：通過指定開發的體系和標準來降低航電系統的全壽命周期費，改善操作性能和處理性能，目前這些標準的設計理念和結構已經得到應用，ASAAC委員會也在繼續開展后續工作。

　　3、ARINC653標準

　　ARINC653是美國航電委員會針對新一代飛機數據綜合化提出的應用程序接口標準，目前已經有符合ARINC653標準的商用操作系統，如WindRiver的VxWorks653。

　　在ARINC653中引入分區概念，所有分區共享系統資源，分區參與系統調度，每個分區內部包含一個自己的用于動態內存分配的一個堆以及應用進程，進程在分區時間片內得到調度，分區內進程有自己的調度方式，在時間片結束后下個分區得到調度并運行。分區是ARINC653的核心概念，分區概念的引入，增強了系統的健壯性。通過藍圖配置，分區之間在時間上和空間上相互隔離。

　　在空間上，通過使用處理器的內存管理單元對不同上下文虛擬內存進行約束，每個分區包含一個自己的用于動態內存分配的一個堆以及應用程序的堆棧，使一個被隔離的空間中運行的應用不能剝奪其他空間的共享應用資源或實時操作系統RTOS內核提供的資源。

　　時間分區定義了在同一個計算處理平臺上同時運行的多個應用的隔離需求，不同分區被分配了已定義寬度的時間段。一個時間段內分區可以使用自己的調度策略，管理分區內部進程間的調度，但在此時間段末，Arinc調度器會強制轉換到調度表中的下一個分區，這樣能保證一個應用對處理器的利用不會超過預期而損害其他應用，其中，每個時間片的大小、分區的調度順序以及分區內部進程的調度策略在藍圖中定義。

　　4、高可靠性的IMA系統軟件架構設計

　　因為在ASAAC提出的IMA系統軟件架構主要側重于考慮框架的整體可移植性和可維護性，所以并沒有過多考慮節點的可靠性。而ARINC653主要針對IMA軟件架構中節點的基礎操作環境可靠性設計的。因此，本文提出將兩者加以融合以提高IMA軟件架構可靠性的設計。將ARINC653規范定義的操作系統使用在ASAAC軟件架構中，替換使用的普通操作系統以達到提高整個架構可靠性的目的。

　　在該融合的過程中，將GSM植入節點操作系統的核心軟件層，GSM負責該節點的管理工作。

　　配置管理(ConfigurationManagement,CM)在節點初始化時根據藍圖信息對節點進行配置，包括每個分區的內存需求，分區周期，分區在時間窗口中的序列，分區間的通訊鏈路，節點與外部通訊的鏈路等。在節點出現錯誤時配置管理會根據藍圖對系統進行重構。

　　在每個分區的分區操作系統中植入健康監控(HealthMonitor,HM)和錯誤管理(FaultManagement,FM)模塊。分區操作系統內部的健康監控模塊主要負責監視本分區的健康狀態，搜集由本分區應用引起的故障和錯誤，通過藍圖定義的策略進行故障與錯誤過濾，然后向分區內的錯誤管理模塊和核心軟件層GSM中的健康監控模塊通告錯誤。分區操作系統中的錯誤管理模塊根據配置管理處理、記錄本分區的錯誤，并向核心軟件層GSM中的錯誤管理模塊通告，以便GSM能夠對節點的多個故障進行分析和做出正確處理。

　　節點的安全由核心軟件區GSM的安全管理(SecurityManagement,SM)模塊集中管理。主要負責經過加密、解密和審計的受保護數據能夠安全傳輸，將檢測破壞安全的事件寫入安全日志。

　　融合中另一個重要工作是藍圖的融合。ARINC653使用配置表來管理系統。配置表中包括系統初始化信息，分區間通信的配置信息，用來進行健康監控和錯誤管理的信息。為了讓分區能在操作系統的核心上運行，還要配置分區的內存需求、運行周期、每個周期持續時間、用來發送消息的標識、用來接收消息的標識等信息。此類信息都是靜態的。ASAAC更是通過藍圖來對整個系統進行管理。系統在工作模式的切換、容錯管理、地勤維護和測試、系統初始化和關機階段都需要依靠動態運行藍圖來做出相應變化。本文需要將這種靜態的配置表信息融入ASAAC的藍圖中以便節點的GSM可以通過讀取藍圖中的信息對節點進行管理。

　　5、結束語

　　綜合模塊化航空電子系統是現代航空電子系統的發展方向，因此，國外的很多開放式標準得以引入并在國內航空電子系統的設計中得到應用。在學習這些開放式標準時對其加以優化和改進使其更實用、具有更好的性能是一項非常重要的工作。本文對IMA系統的可靠性改進的設計正是出于該目的。

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