ARINC429總線在航空物探測(cè)量系統(tǒng)集成中的應(yīng)用

摘 要： 為了提高航空物探測(cè)量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性，精簡(jiǎn)系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度，借鑒ARINC429通信總線技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用，將其應(yīng)用于航空物探測(cè)量系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)基于TS68C429A和DEI1016的ARINC429的發(fā)送和接收電路，從而改進(jìn)航空物探系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的收錄質(zhì)量，精簡(jiǎn)接口設(shè)計(jì)種類。

關(guān)鍵詞： ARINC429； 航空物探系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)通信； TS68C429A； DEI1016

中圖分類號(hào)： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）07?0115?04

0 引 言

航空物探測(cè)量系統(tǒng)需要將專用物探測(cè)量設(shè)備（如磁力儀）、高度計(jì)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收錄儀等各個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的測(cè)量設(shè)備或子系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成，將多個(gè)所測(cè)的參量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收錄儀中，集中收錄到同一個(gè)文件中。因此各個(gè)測(cè)量子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)收錄儀之間的數(shù)據(jù)傳輸方式直接決定收錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量，是系統(tǒng)集成過程中的重點(diǎn)。

ARINC429 數(shù)據(jù)總線是美國(guó)航空無線電公司（ARINC）專為航空電子系統(tǒng)制定的數(shù)字總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是機(jī)載電子設(shè)備之間常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，它為系統(tǒng)互聯(lián)提供統(tǒng)一平臺(tái)。ARINC429總線性能優(yōu)良，其傳輸速率高，可靠性好，廣泛應(yīng)用在先進(jìn)的客機(jī)及一些軍用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中，將原來分散的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行集中，實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立的子系統(tǒng)的綜合[1]。

航空物探測(cè)量系統(tǒng)需要將各測(cè)量設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)集中收錄于同一臺(tái)設(shè)備上，因此借鑒ARINC429 數(shù)據(jù)總線在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，將ARINC429總線應(yīng)用于航空物探系統(tǒng)集成中能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性，并大幅度減輕機(jī)上電纜質(zhì)量，大大精簡(jiǎn)線路布局，使集成后的系統(tǒng)更加精簡(jiǎn)。

1 ARINC429總線

ARINC429總線是一種單向廣播式數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸采用差分信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸距離較遠(yuǎn)。信息為單向傳輸，總線上只允許有1個(gè)發(fā)送設(shè)備，可以有多個(gè)（小于20個(gè)）接收設(shè)備，接收和發(fā)送是相互獨(dú)立的。使用一對(duì)單向、差分耦合、雙絞屏蔽線， 以串行方式傳輸數(shù)字信息。每條線上的信號(hào)電壓范圍為- 5～+5 V，一條線稱為A（或+）， 另一條線稱為B（或-）。信息傳送的速率有高速和低速兩種方式，高速傳輸?shù)乃俾蕿?00 Kb/s，低速傳輸?shù)乃俣萚2?4]為12～14.5 Kb/s。

ARINC429信息傳輸采用雙極性歸零制三態(tài)碼調(diào)制方式（BNR碼），即由高、零、低狀態(tài)組成的三電平狀態(tài)調(diào)制信號(hào)。發(fā)送器/接收器的輸出/輸入差動(dòng)電平范圍如圖1所示。

ARINC429通信一般采用帶有奇校驗(yàn)的32位信息字，主要包括五部分：奇偶校驗(yàn)位（P）、符號(hào)/狀態(tài)位（SSM）、數(shù)據(jù)區(qū)（DATA）、源/目標(biāo)標(biāo)識(shí)位（SDI）和標(biāo)志位（LABEL）；它們的發(fā)送順序?yàn)椋簶?biāo)志位、源/目標(biāo)標(biāo)識(shí)位、數(shù)據(jù)區(qū)、符號(hào)/狀態(tài)位和奇偶校驗(yàn)位。其中標(biāo)志位發(fā)送順序與正常順序相反，先發(fā)送高位再發(fā)送低位，

ARINC429信息傳輸電平范圍

ARINC429信息字格式

[位號(hào)＼32＼31～30＼29～11＼10～9＼8～1＼功能＼奇偶位＼狀態(tài)位＼數(shù)據(jù)位＼源/目標(biāo)標(biāo)識(shí)符＼標(biāo)識(shí)符＼]

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

航空物探測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式采用ARINC429總線，總線電纜采用雙絞屏蔽線，并進(jìn)行屏蔽接地，提高傳輸過程中的抗干擾能力[5]。圖2為采用ARINC429總線進(jìn)行集成的總體框圖。航空物探測(cè)量系統(tǒng)采用ARINC429實(shí)現(xiàn)的是單工通信，結(jié)構(gòu)為多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送端，一個(gè)數(shù)據(jù)接收端（收錄儀）。因此每個(gè)測(cè)量設(shè)備中要集成單通道發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)收錄儀中集成多通道接收模塊。

采用ARINC429總線進(jìn)行集成的總體框圖

2.2 ARINC429數(shù)據(jù)的編碼

ARINC429通信采用32位字長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式，因此需要將要發(fā)送數(shù)據(jù)按照ARINC429協(xié)議格式進(jìn)行編碼。發(fā)送端根據(jù)要發(fā)送的參數(shù)信息，確定發(fā)送數(shù)據(jù)的標(biāo)示符、符號(hào)/狀態(tài)位、奇偶校驗(yàn)位和源/目的標(biāo)識(shí)碼等，組合成32位數(shù)據(jù)字進(jìn)行發(fā)送。接收端通過標(biāo)示碼和SDI對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)類型識(shí)別解碼，從而對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理記錄[6]。

ARINC429的32位信息字中1～8位為標(biāo)示符。ARINC429標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（ARINC Specificaion）中詳細(xì)規(guī)定了標(biāo)示碼對(duì)應(yīng)的參數(shù)及意義[7]，標(biāo)示碼的定義均針對(duì)航空電子設(shè)備制定的，因此將ARINC429應(yīng)用到航空物探測(cè)量系統(tǒng)中，需針對(duì)性地對(duì)標(biāo)示符進(jìn)行自定義，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航空物探測(cè)量數(shù)據(jù)信息的識(shí)別。

數(shù)據(jù)字的第9位和第10位為源/目標(biāo)標(biāo)示符（SDI），SDI用來識(shí)別多系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源，或者在多數(shù)據(jù)接收端總線上指明發(fā)送數(shù)據(jù)目標(biāo)。ARINC429應(yīng)用于航空物探系統(tǒng)是個(gè)多數(shù)據(jù)發(fā)送端、單個(gè)數(shù)據(jù)接收端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有多個(gè)數(shù)據(jù)源，因此對(duì)SDI進(jìn)行針對(duì)性編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量設(shè)備（數(shù)據(jù)源）識(shí)別。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.1 接收器電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收錄儀作為上位機(jī)，要接收多個(gè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)基于PCI總線的ARINC429多通道接口板，插入數(shù)據(jù)收錄儀中實(shí)現(xiàn)ARINC429總線與PCI總線的數(shù)據(jù)交互， 提供ARINC429總線協(xié)議的實(shí)時(shí)通信。數(shù)據(jù)收錄儀ARINC429總線接口卡硬件總體設(shè)計(jì)如圖3所示，PCI接口芯片采用PCI9052，提供了收錄儀訪問雙口RAM的通道；處理器電路實(shí)現(xiàn)訪問雙口RAM控制，控制429協(xié)議芯片組的讀寫；CPLD實(shí)現(xiàn)控制邏輯處理電路，完成系統(tǒng)中所有的邏輯變換功能；429協(xié)議芯片組實(shí)現(xiàn)429總線及其協(xié)議的轉(zhuǎn)換[8?9]。

ARINC429總線接收器

ARINC429通信設(shè)計(jì)中接口芯片應(yīng)用較廣的有HARRIS公司的HS3282或Device Engineering 公司的DEI1016。HS3282和DEI1016的ARINC429接收通道數(shù)較少，均為2個(gè)接收通道，而航空物探測(cè)量系統(tǒng)中ARINC429總線接收器需接收至少5個(gè)通道ARINC429總線數(shù)據(jù)，接口芯片如采用HS3282或DEI1016，需增加接口芯片的數(shù)量，并且多個(gè)接口芯片需要多個(gè)CPU中斷請(qǐng)求線和外部邏輯設(shè)計(jì)，這將增加芯片數(shù)量和電路復(fù)雜程度，并增加了機(jī)載設(shè)備的功耗。

ATMEL公司的TS68C429A是款高性能、多通道、低功耗的CMOS型429接口芯片，具有 8個(gè)彼此互獨(dú)立且可同時(shí)并行工作的ARINC429接收通道，因此TS68C429A是航空物探系統(tǒng)集成中解決429通信多通道接收的較優(yōu)選擇。每個(gè)通道具有如下功能：

（1）一個(gè)串/并轉(zhuǎn)換器，將兩線制串行RZ碼信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)16位字；

（2）一個(gè)寄存器用來存儲(chǔ)有效的標(biāo)志；

（3）一個(gè)控制邏輯來檢查接收到的信息是否有效；

（4）一個(gè)緩沖區(qū)來保存最近接收到的信息[2]。

TS68C429A的接口是“1”和“0”兩線制RZ碼，每個(gè)接收通道有兩根輸入線，分別接收信號(hào)的高端（RxiH）和低端（RxiH），該信號(hào)與ARINC429雙極性信號(hào)不能直接兼容。因此需將ARINC429的3電平雙極性歸零制信號(hào)（高、空、低）轉(zhuǎn)換為RZ碼兩線制信號(hào)（見圖4）。數(shù)據(jù)接收時(shí)可通過運(yùn)放和二極管搭建電路來實(shí)現(xiàn)429雙極性歸零制信號(hào)電平到RZ碼兩線制信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。而為精簡(jiǎn)電路板上元器件布局，增建電路的穩(wěn)定性，各發(fā)送通道選擇通過附加429總線接收驅(qū)動(dòng)芯片HI?8588，將ARINC的3電平狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為RZ碼兩線制信號(hào)[10]。

ARINC429的3電平狀態(tài)信號(hào)與RZ碼兩線制信號(hào)

多款處理器均可對(duì)TS68C429A進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)讀寫，其中Atmel的TS68K系列微處理器TS68302與TS68C429A的接口完全兼容，處理器與接口芯片之間無需復(fù)雜的邏輯芯片，對(duì)應(yīng)的信號(hào)線（包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線）可直接相連，實(shí)現(xiàn)完全“無縫連接”，因此處理器選用TS68302，輸入的CLK?ARINC時(shí)鐘頻率[1?2]為1 MHz。圖5為ARINC429發(fā)送電路。

收錄部分只需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收功能，因此對(duì)TS68C429A的編程操作包括復(fù)位后對(duì)接收器的初始化操作和接收操作。

TS68C429A的每個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)識(shí)控制矩陣，接收器初始化除進(jìn)行奇偶校驗(yàn)設(shè)置、優(yōu)先級(jí)設(shè)置外，要對(duì)標(biāo)識(shí)矩陣進(jìn)行設(shè)置，從而在數(shù)據(jù)接收端可實(shí)現(xiàn)針對(duì)性選擇相應(yīng)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。接收器的初始化操作流程圖如圖6所示。

ARINC429發(fā)送電路

TS68C429A初始化流程圖

數(shù)據(jù)接收操作可采用中斷響應(yīng)或查詢邏輯控制單元的狀態(tài)寄存器來實(shí)現(xiàn)。TS68C429A具有8個(gè)接收通道，8個(gè)接收通道共享一個(gè)接收中斷。由于航空物探測(cè)量數(shù)據(jù)的收錄要保證高精度同步，因此如果只采用中斷方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作，當(dāng)多個(gè)通道對(duì)應(yīng)的發(fā)送端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，可能只會(huì)接收到一個(gè)通道的有效數(shù)據(jù)，而覆蓋丟掉其他通道的數(shù)據(jù)；如果采用查詢方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作，則將增加CPU資源開銷。因此為防止接收數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)接收采用中斷和查詢邏輯控制單元兼施方式，即CPU響應(yīng)接收中斷申請(qǐng)，通過查詢邏輯控制單元中狀態(tài)寄存器對(duì)應(yīng)接收通道標(biāo)志位，讀取有效標(biāo)志位所對(duì)應(yīng)通道所接收的數(shù)據(jù)[11]。數(shù)據(jù)接收操作流程圖如圖7所示。

數(shù)據(jù)接收流程圖

2.3.2 發(fā)送器電路設(shè)計(jì)

航空物探系統(tǒng)的各測(cè)量設(shè)備中需集成與收錄儀進(jìn)行通信的ARINC429發(fā)送器，每個(gè)測(cè)量設(shè)備僅需一個(gè)發(fā)送通道。

測(cè)量設(shè)備的ARICN429發(fā)送模塊通過Device Engineering公司的429總線協(xié)議芯片DEI1016來實(shí)現(xiàn)。DEI1016芯片具有兩個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)送通道，在此僅應(yīng)用其發(fā)送功能。DEI1016可進(jìn)行32位或25位字長(zhǎng)格式的串行數(shù)據(jù)發(fā)送/接收，為與收錄儀中429接收器字長(zhǎng)格式一致，設(shè)置為32位字長(zhǎng)操作。

ARINC429 的數(shù)據(jù)傳輸率分為高傳輸率和低傳輸率2 種。各測(cè)量設(shè)備429發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)速度采用高傳輸率，通過設(shè)置控制寄存器對(duì)外部輸入的1 MHz時(shí)鐘頻率進(jìn)行10分頻，實(shí)現(xiàn)100 Kb/s的發(fā)送速率。

DEI1016的串行接口DO（A）和DO（B）輸出的是TTL電平，RZ碼兩線制信號(hào)，不能與429總線進(jìn)行直接連接，需通過429總線驅(qū)動(dòng)芯片BD429進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將RZ碼兩線制信號(hào)轉(zhuǎn)化為ARINC429的BNZ碼信號(hào)。因此發(fā)送端是通過DEI1016作為429總線信號(hào)的協(xié)議芯片與BD429作為429總線信號(hào)的驅(qū)動(dòng)芯片組合構(gòu)成ARINC429的發(fā)送通道。BD429的兩個(gè)連接電容CA，CB的大小決定發(fā)送ARINC429總線信號(hào)的頻率，由于要實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)發(fā)送（100 Kb/s），兩個(gè)電容[12?13]均為75 pF。

DEI1016提供的是16位寬數(shù)據(jù)總線接口，不同的測(cè)量設(shè)備采用CPU雖具有差異，但都選用數(shù)據(jù)總線為16位以上的CPU，以減少讀寫數(shù)據(jù)時(shí)鎖存器的使用。CPU通過外圍邏輯電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)DEI1016進(jìn)行控制。由于在此只使用DEI1016的發(fā)送通道，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)只使用LD1、LD2、TXR、ENTX、MR四個(gè)控制信號(hào)。為ARINC429發(fā)送電路圖，

ARINC429發(fā)送電路圖

發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

3 結(jié) 論

通過ARINC429在航空物探系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備與收錄儀之間ARINC429總線數(shù)據(jù)傳輸方式，較原有通信方式提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各測(cè)量設(shè)備或子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信方式統(tǒng)一化，不必為各設(shè)備專門設(shè)計(jì)特有的通信方式，簡(jiǎn)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口類型以及機(jī)載系統(tǒng)集成復(fù)雜程度。

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