基于ARINC429總線的便攜式分析儀

王 燕

WANG Yan

（西安科技大學 機械工程學院，西安 710054）

0 引言

ARINC429總線是目前民用航空電子各子系統之間最常用的通信總線[1]。現代機載電子設備中有多種系統設備采用了ARINC429總線聯網進行數據通信的，當ARINC429總線或掛接的機載電子設備發生故障時，整個數據傳輸將會出現異常。為了于眾多聯網的機載設備中快速排查出故障點，筆者設計了一種便攜式的分析儀。它通過與機載電子設備進行點對點的數據收發，能夠快速排查出故障設備，為航空機載電子設備的日常維護和故障檢測提供了一種快捷的輔助手段。

1 ARINC429航空總線

ARINC429總線是美國航空無線電公司（ARINC）制定的民用航空數字總線傳輸標準，它規定了使用該總線的航空電子設備的信息流向和ARINC429基本數據字的格式。ARINC429總線采用普通雙絞線為傳輸介質，速率為100kbps或12.5kbps，以串行方式傳輸信號，采用雙極性歸零調制方式，即調制信號為邏輯1、邏輯0和等待組成的三種電平狀態。在基本的調制信號中攜帶了位同步信息，位同步是由雙極歸零的零狀態變至“邏輯1”或“邏輯0”的狀態變化來識別的；每個數據字間有四位以上的等待間隔就能夠保證字同步。接收端差動電壓范圍為：邏輯1：+6.5V～+13V；等待狀態：+2.5V～-2.5V；邏輯0：-6.5 V～ -13V。

ARINC429 通信采用的是帶奇偶校驗的32位信息字，一個標準的ARINC429數據字包含如表1中的五部分。

表1 ARINC429 數據字格式

標號：LABEL（第1-8 位），ARINC429總線規范對傳輸的每一個數據都規定了標號用于識別其信息類型，標號采用八進制編碼，代表八進制數0 377，通過LABEL可識別所傳輸的是什么參數。如：067表示東西速度；源/目的識別碼：SDI（第9-10 位），用作數據的源、目的標識。當需要將數據發送給總線上多個接收端中的某個接收端時，用SDI 識別數據字的目的地，或可根據字內容來判明一個多系統的源系統；數據信息：DATA（第11-29 位），數據字通常采用BNR（二進制編碼的十進制數據）或BCD（二-十進制表示法編碼）編碼方式；SSM （第30-31 位）：符號/狀態位，符號表示數據字的特性，如正、負號，方向東南西北等，也可表示發送設備的狀態信息，如：故障警告（FW）、非計算數據（NCD）等；奇偶校驗位：P（第32 位），ARNIC429 數字信息系統奇偶校驗位邏輯提供的是奇校驗，可實現數據校驗功能。

2 系統設計

本系統采用雙單片機、低功耗設計，配合C51編寫系統軟件。它能夠實現ARINC429數據的準確接收、發送及顯示。

2.1 系統硬件設計

系統的硬件電路由ARINC429總線接口電路、數據驅動電路以及鍵盤電路、液晶顯示電路和電源監測電路等部分構成。系統工作原理框圖如圖1所示。本系統采用了雙單片機結構，主控CPU是AT89S51單片機，配合ARINC429協議電路HS-3282以及自設計的電平驅動電路，能夠實現ARINC429數據的發送和接收；輔助CPU選用了AT89C2051，用來采集鍵值、監測電池容量，并通過串口將采集到的數據送入主控單片機中。

圖1 系統工作原理框圖

2.1.1 HS-3282總線協議芯片

HS-3282是美國Harris公司的429總線協議電路，符合ARINC429的規范要求。其主要性能指標：數據傳輸速率12.5kb/s或100kb/s，字長32位或25位，字間隔至少為4位，奇偶校驗位自動檢測及產生，單電源+5 V供電，低功耗。

HS-3282芯片有1個發送器和2個接收器，各自獨立工作。2個獨立的接收器輸入電平滿足ARINC429總線協議，無需電平轉換就能夠與ARINC429總線直接相連，并能完成接收數據的串-并轉換；發送器主要由先進先出 （FIFO）內存和定時電路組成，FIFO內存可保存8個32位串行發送的ARINC數據字，定時電路按照ARINC規范的要求自動分隔每個ARINC數據字，并自動產生奇偶校驗位。發送器將2個16位的并行數據轉換成32位TTL電平的串行數據輸出。但由于輸出的是TTL電平，所以必需通過專門的電平驅動電路（如：與HS-3282配套的總線驅動芯片HS-3182）將電平轉換為雙極性歸零碼發送到ARINC429數據總線上。HS-3282芯片是集429數據收發一體，所以僅需很少的外圍電路，再經過簡單的編程控制就可以實現ARINC429數據的收發功能[2]。

2.1.2 ARINC429總線接口電路

ARINC429總線接口電路通過AT89S51與ARINC429總線協議電路HS-3282的連接，硬件上實現了ARINC429數據的收發功能。為了解決單片機的8位數據與HS-3282的16位數據及其多種控制、狀態信號的轉換、聯系，該部分電路設計上首先利用82C55可編程I/O擴展芯片的B、C口實現AT89S51的8位數據和HS-3282的16位數據之間的轉換，從而解決了單片機8位數據總線與HS-3282的16位數據總線的連接；其次通過82C55的A口接收HS-3282的3個狀態信號 D/R1、D/R2、TXR供主控CPU程序中查詢，使其可根據需要配置相應的控制線控制HS-3282進行數據的接收和發送。

2.1.3 ARINC429數據發送驅動電路

圖2 ARINC429總線接口電路簡圖

圖3 ARINC429電平驅動電路原理圖

ARINC429總線協議芯片HS-3282可直接接收總線數據，但發送數據時由于串口429DO、429DO輸出CMOS電平信號，無法直接發送到429總線上，因此需先將CMOS電平轉換成ARINC429總線電平后，方可將數據送上429總線供聯網的機載電子設備接收。本系統研制了一種簡單、實用、價格低廉的電平驅動電路， 取代了專用配套的429電平驅動芯片（如HS-3182、HI-8382）。該電路可按照429規范正確發送數據。其工作原理如圖3所示。

ARINC429接口芯片HS-3282的兩個串行輸出端429DO/、429DO，經由74HC14施密特電路整形后進入差動比例運放電路，可得到對應的三態壓差信號。圖4為電路各點的電平時序圖，驅動電路輸出電壓VO1和VO2能滿足ARINC429接收端的電平要求。

圖4 驅動電路工作波形圖

2.1.4 其他功能電路

除了完成429數據的收發，該系統的設計功能還包括：用戶通過鍵盤輸入待發送數據，液晶顯示接收或待發送數據，實時監控程序的運行、實時監測電池電壓容量以便電壓不足時報警。為了完成這些功能，系統還設計了鍵盤電路、顯示電路以及電壓監測電路等。

鍵盤電路采用AT89C2051來檢測鍵盤指令的輸入，4×4矩陣按鍵設計包括09數字鍵、編輯鍵、翻頁鍵、奇偶設定鍵、高低速設定鍵等。通過按鍵命令用戶可以選擇發送航跡角、經度、緯度等多種參數，或分頁查詢顯示多個數據字，調試其它設備時輸入多種控制指令。顯示部分選用OCMJ型中文模塊圖文液晶顯示器，該顯示器可以顯示點陣漢字或相關的位圖形。用它實現機載電子設備中有關參數值的具體含義、數據的顯示及電池電量的顯示。

電源監測電路采用A/D轉換器TLC549采集電池的端電壓值，液晶顯示電壓容量，并于儀器電池電壓較低時驅動蜂鳴器報警，提示用戶及時充電。系統啟用了AT89S51內置看門狗復位電路對系統軟件運行實行監控，可實現程序運行異常后的快速自動復位。

2.2 系統軟件設計

系統軟件設計采用C51編程，該分析儀具有按鍵輸入用戶命令及發送數據，液晶顯示發送/接收數據和當前電量，并具有電量不足報警等功能。系統軟件包括鍵盤掃描鍵值處理、數據收/發、狀態譯碼以及液晶顯示等程序。限于篇幅，現僅就429數據收/發、處理程序予以簡述。

圖5 電池電壓采集電路圖

數據接收：首先主控CPU在程序中將I/O口擴展芯片82C55的A、B、C口均設置為輸入方式。隨后查詢D/R信號狀態，若有效CPU就可發出接收429數據的時序。由于HS-3282為16位據總線，所以從429總線上接收的32位串行數據經串并轉換后被分成兩個16位字。接收時序先置SEL=‘0’再給EN一個正脈沖，第一個16位字就出現在HS-3282的數據總線BD0～BD15上，CPU通過82C55的B、C口讀取第一個16位字。后置SEL=‘1’再給EN一個正脈沖，第二個16位字也會被CPU通過82C55的B、C接收。在程序中按照429數據字格式，再分離整和出對應的LABEL值以及數據，送給液晶顯示。這樣便完成了一個32位數據的接收與顯示。

數據發送：輔助CPU程序執行循環式鍵盤掃描，若掃描到有鍵按下先進行延時、消抖及重鍵處理，隨后判斷按鍵鍵值并將鍵值通過串口發送給主控CPU。主CPU在收到足夠的鍵值數據后啟動按鍵處理程序：首先把接收到的前3個鍵值（代表3位八進制）作為LABEL值，與相關數據按格式組合成第一個16位數據；然后將剩下的數據組合成第二個16位數據。接收到發送命令鍵后就可擇機啟動發送。發送數據時，主控CPU先將82C55的B、C口設置為輸出方式，A口為輸入方式，查詢TXR狀態信號，如果TXR為1則表示FIFO為空CPU可以發送這個數據。則分時選通PL1、PL2加載待發送字之后置ENTX為1，這樣HS-3282就可將FIFO中的數據轉換為串行數據由429DO、429DO發出。一 個 32位數據的發送即完成了。

3 結束語

實驗結果表明：該分析儀結構簡單、攜帶操作靈活方便，能夠完成ARINC429數據總線和機載電子設備的檢測，提高了排查機載電子設備故障點的效率，具有較好的應用及推廣價值。

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