航電ARINC429總線監測系統的設計與實現

衛保國，蔡 偉， 郝志浪，杜朝陽

（1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129；2.中航工業第一飛機設計研究院 陜西 西安 710089）

航電ARINC429總線監測系統的設計與實現

衛保國1，蔡 偉1， 郝志浪1，杜朝陽2

（1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129；2.中航工業第一飛機設計研究院 陜西 西安 710089）

針對某型號飛機航電系統與總線網絡通信故障的監測需求，我們設計了ARINC429總線監測系統。該系統設備為一臺便攜工控機，通過ARINC429信號接收板卡實時、高效地對總線信息進行接收、分析和顯示。依照航電總線標準ICD（接口控制文件）庫進行解析，能夠準確、快速的定位故障，避免了設備的無故障拆裝，提高了維護效率。實驗表明，該總線監測系統實時穩定可靠，能夠滿足設計需求。

航電系統；ARINC429總線；總線監測； ICD

伴隨著國內外航空工業的快速發展，航空電子技術也變得越來越數字化和綜合化，ARINC429總線因其優秀的性能在航電系統中發揮了重要的作用， 其在許多航空設備中廣泛應用的同時，也在許多航空機載設備的維修中出現了大量對ARINC429總線信號監測的需求，這使得航電ARINC429總線監測系統的研究開發變的十分重要。

1 ARINC429總線簡介

ARINC429總線標準的全稱是數字式信息傳輸系統，是由美國航空電子工程委員會(Airlines Engineering Committee)提出并頒布的機載電子設備之間進行數據傳輸約定的一種標準，它規定航空運輸工業航空電子系統生產部門對部件、通用設計、結構及實驗規范的要求，保證在航線上使用滿意和有必要的互換性，使那些影響設備互換性的物理和電氣特性達到最大程度的標準化，完善系統要求以求達到地面和機載設備的兼容性，分配和規定頻率以滿足需要、進行標準機載通信和電子系統的協調工作和交換技術數據等[1]。

ARINC429總線結構簡單、性能穩定，抗干擾性強。最大的優勢在于可靠性高。ARINC429廣泛應用在先進的民航客機中，如B-737、B757、B-767，俄制軍用飛機也選用了類似的技術。我國與之對應的標準是HB6096-SZ-01。

協議標準規定了ARINC429總線不僅可以完成數據信息的多路傳輸，實現數據和資源信息的共享，而且還能減輕系統的重量并保證所有連接到總線上的分系統能使用一致的數據庫，最大限度的實現了資源的交互性。

ARINC429總線采用雙絞屏蔽線，串行方式單向傳輸數字數據信息。連接到每一個總線上的接收器不可超過20臺，ARINC429的發送速度有高速發送（100千位/秒）和低速發送（12-14.5千位/秒）兩種。在同一總線上兩種速度不可混用。

ARINC429 數據字以雙極性回零脈沖形式發送，ARINC429數據總線上傳輸的數據字使用BNR碼和BCD碼兩種類型，這兩種類型的數據字結構相似，字格式[2]的位定義如表1所示。

2 系統需求

由于ARINC429總線在當代的運輸機和相當數量的民航客機（如A310、A300、B-757、B-767等）以及軍用飛機中的廣泛應用，某些終端或者總線通信出現故障在所難免，因此，在許多航空機載設備的監測維修中出現了大量對ARINC429信號的檢測需求。

表1 ARINC429數據字格式Tab.1 The word format of ARINC429 data

為滿足當代某些機載設備ARINC429信號的測試需求，總線監測系統應能夠滿足如下要求：

1）對計算機通道的所有ARINC429總線信號等進行接收、實時記錄和數據回放。

2） 通過直觀的數據監測，對各種信號具有從原碼到物理意義的解析功能。

3）能快速有效的進行系統試驗、操作記錄、故障定位和狀態監視。

4）總體設計方案應具有智能化、模塊化的特點。

3 系統實現原理

本系統是基于ARINC429總線的ICD監測軟件，系統邏輯位置如圖1所示，其原理相當于航電系統的一個子系統，是總線上的一個接收器，它監測的是總線上的通訊狀態、信息及過程。

圖1 ARINC429總線測試節點邏輯位置圖Fig. 1 Logical location map of the ARINC429 bus test node

系統監測的主要過程為，總線板卡接收到的數據通過與總線ICD數據庫對應，計算機自動查找出其對應關系與邏輯，解析出相應信號的狀態，并將信號信息及狀態及時進行顯示。

系統的這種設計方式具有實時性好、可靠性高、測試工作量小等優點。

4 系統組成

本系統的硬件為一臺便攜式工控機和西門子公司生產的具有8路接收通道和8路發送通道的ARINC429板卡，每個通道均支持接收發送自定義，信號傳輸速率為12.5～100 kbps編程可調；4K*8雙端口RAM作為數據收發緩存：支持奇偶校驗和可編程硬件觸發，終端可選擇模式；發送通道支持單個發送、單次發送和循環發送3種模式。

本文研究的重點是軟件部分，同時也是本系統的核心。通過實現ICD數據庫管理部分、總線監測部分（數據監測、解析、分析并存儲等模塊）來完成，功能模塊關系如圖2所示，各個部分和模塊有機的結合到一起，并用簡潔的界面實現系統操作。系統在WindowsXP環境下，用VC++開發。設計主要為ARINC429總線信號的接收、處理以及顯示，即信號的監測[3]。

圖2 功能模塊關系Fig. 2 Relationship between functional modules

5 系統功能

基于虛擬儀器的ARINC429總線信號測試方案，信息從總線的發送口發出，各接收口根據傳輸協議和端口配置接收相應的消息。硬件部分實現信號的輸入與輸出，軟件部分實現對信號的處理和顯示，該總線監測系統作為航空電子系統的一個子系統，能夠對總線的通訊狀態及通訊過程、指定分系統傳輸的任意數據塊和數據字進行監測， 并能夠記錄數據。可根據要求對監測數據進行分類處理， 輸出測試結果。

5.1 總線數據監測

總線監測器作為第三方設備，負責監測發送端和接收端的數據通信，它的連接和接收端基本一致，只要遵守相應的傳輸協議即可完成數據通信。本監測軟件主要監測的數據有：發送端和接收端通信的32位數據信息、時間標簽、控制字、狀態字和傳輸消息的個數等。

5.2 總線數據的解析

總線監測器中ICD數據庫管理模塊和總線監測模塊是獨立的，通過XML文件進行數據交互。兩個模塊之間是同步的。因此，我們對監測到的數據進行解析或者存儲都是嚴格按照ICD的定義來實現的，信號的邏輯值所代表的物理量可以通過ICD來獲得。

5.3 數據分析

數據分析可以有兩種模式：實時模式和事后模式。實時模式就是通過分析ICD解析出來的數據確定總線通信的故障，事后分析就是接收總線上某個端口的數據，通過數據記錄模塊存儲，人為進行比對。

5.4 數據存儲

系統允許根據采集數據的時間、端口號、數據塊名稱、錯誤信息等條件篩選部分數據導出到指定文件。本設計存儲了總線上全部數據，文件存儲到Excel表中。

5.5 ARINC429 ICD數據庫管理

接口控制文檔ICD[4](Interface Control Document)是規定航空電子系統各分系統、設備之間或與其他系統、分系統、設備之間具體接口關系的設計文件，它與底層總線板卡相隔離。

為保障飛機系統中各個機電綜合管理子系統能順利綜合且正常工作，便于管理與查閱，目前對接口控制文檔龐大的數據管理一般都采用數據庫管理的形式，所有總線通訊數據的定義都按統一的規則存儲在數據庫描述表中，包括系統的控制邏輯、物理量的意義、比例關系、物理量的單位、有無符號位、編碼形式、故障代碼等各種相關信息。

ICD數據庫是整個航空總線測試系統的核心，通過ICD庫的重新配置或設計就可以用于新的航空總線測試。基于ICD的航空總線測試系統有效地克服了專用系統的缺點，已經成為數據總線測試的發展方向。

當總線監測系統工作時，要測試的參數通過總線板卡與ICD數據庫對應，計算機自動查找出其對應關系與邏輯，進而對總線上的數據進行實時監測和記錄分析。在本系統中ICD數據庫的邏輯位置如圖3所示。

圖3 ICD庫邏輯位置圖Fig. 3 Logical location map of ICD database

6 ARINC429總線監測系統軟件實現

軟件部分是本系統研究的核心和重點，通過各個部分實現系統功能。

圖4 ICD管理軟件Fig. 4 ICD management software interface

6.1 ICD數據庫管理軟件實現

本管理軟件為了同時滿足其他總線類型，所以對其他類型進行了兼容，通用ICD管理軟件在設計過程中遵循的思想主要滿足以下需求：準確性、實時性、通用性、實用性和可移植性。

6.1.1 設計思想

ICD管理一般都采用數據庫管理形式，本設計也是如此[5]。考慮到ICD定義內的信號和數據之間的復雜性和相關性，通用ICD管理軟件采用關系模型組織數據，各層次模型的數據之間的關系是父與子的關系，其它模塊訪問該數據庫時，先訪問根節點，再通過遞歸關系一層一層的訪問具體的數據。

ICD數據庫將接口控制文檔抽象出許多描述表，用這些描述表定義接口控制文檔的內容，表中內容按照數據類型形成數據記錄，然后通過自頂向下的層次劃分方法，將一個龐大的ICD切分成邏輯上互相關聯，結構上互相獨立的數據描述體系，用這種描述方法定義ICD的內容，對于后期的訪問和維護提供了極大的便捷。本設計中采用的數據結構為：CMessageBase（報文類型 )-＞ CBlockBase（數據塊類型）-＞CSignalBase（具體信號）。ICD管理軟件如圖4所示。

6.1.2 ICD接口訪問基本步驟

對ICD管理軟件的訪問沒有嚴格意義上的規定，可以通過某些特殊標志性的定義進行查詢，只要不違背總線接口定義和ICD的基本數據結構即可。本系統訪問ICD接口基本步驟描述如圖5所示：

6.2 監測部分軟件實現

本監測系統在設計過程中需要監測ARINC429總線上傳輸的所有信息，主要的數據有：發送端和接收端通信的32位數據信息、時間標簽、控制字、狀態字和傳輸消息的個數等[6-7]。

對接收數據進行監測主要有：板卡初始化，啟動線程實時接收數據，解析數據對每一數據塊進行分析，最后存儲。監測部分的軟件實現流程如圖6所示，具體實現如下：

圖5 ICD接口訪問步驟Fig. 5 ICD interface to access steps

6.2.1 初始化模塊實現

圖6 軟件流程圖Fig. 6 Flow chart of Software

首先，初始化板卡：打開板卡號device_number，創建Queue_length和Bsm_length，導入固件（FROM_FLASH），其次，設置觸發深度和通道，其中通道為2，觸發深度為256，然后設置配置字、設置接收命令字。

6.2.2 監測模塊實現

本軟件在設計過程中需要監測ARINC429總線上傳輸的所有信息，同時也需要解析兩個不同Label號（信息標識符）的信息，所用數據占同一個緩沖區，在設計過程中為了避免同一時刻訪問同一緩沖區，造成訪問沖突，我們采取了多線程編程。

首先，創建3個數據接收線程，在本設計中，監測模塊的優先級最高，兩個解析模塊的優先級處于同一級別，通過時標循環控制訪問權限。為避免多線程訪問同一資源，采取了互斥對象，它不僅可以在同一應用程序的線程間實現同步，還可以在不同的進程間實現同步，從而實現資源的安全共享。

其次，當執行某一個線程時，其它線程采用SuspendThread()函數，用來懸掛線程，暫停線程的執行，以便不影響當前執行的線程的數據通信。

最后，結束線程，及時的釋放申請的資源和內存。

6.2.3 數據解析模塊實現

解析模塊是本軟件設計中的一個重要組成部分，其主要完成ARINC429總線監測信息的事后分析。該模塊將監測消息數據進行翻譯，分析其物理量和各種信號的定義，用來判斷發送端與接收端之間數據傳輸的正確性。我們主要解析的是某型號飛機的機電管理信息和飛行參數信息，下面以機電管理信息的解析為例，具體實現步驟如圖7所示。

圖7 數據解析步驟Fig. 7 Data analysis procedure

首先，因為ARINC429總線的標識符是先傳最高位，后傳最低位，所以我們首先應該根據ARINC429數據字格式，將總線中傳輸的Label號順序轉換過來，為了滿足系統需求中對總線上所有的ARINC429信號進行接收，我們需要將所有可能Label號的數據進行接收。此處我們將所有的Label號（0～255）進行反轉。

其次，根據Label號、設備號、通道號接收相應數據，接收到的數據存儲在receive_buffer[]中。并根據數據字的Label號，選擇數據塊相應的解析方式。

再次，通過與ICD庫中的信息交互解析出信號狀態，具體的解析方式在6.1.2 ICD接口訪問基本步驟中已經做了具體的介紹，此處不做重復。

最后，將解析結果顯示在相應的界面上。本界面中只將ICD定義中認為是故障的數據狀態顯示了出來。數據解析界面如圖8所示。

圖8 數據解析界面Fig. 8 Data analysis interface

6.2.4 數據分析模塊實現

本模塊主要完成ARINC429總線監測系統相關信息的顯示，包括消息的序列號、消息傳輸的時間、數據的端口號（Label號）、所屬數據塊名稱及具體信號等。通過該模塊的直觀顯示，可以判斷出需要解析的數據與發送數據的差異，從而可以判斷出總線的通信故障。本模塊實現界面如圖9所示。

6.2.5 數據塊存儲實現

根據采集數據的時間、端口號、數據塊名稱、錯誤信息等條件篩選部分數據導出到格式為Excel的指定文件，圖9界面右下端的“導出”按鈕就可實現數據的保存。導出界面如圖10所示。

圖9 數據塊分析界面Fig. 9 Analysis of the data block interface

圖10 數據存儲界面Fig. 10 Data storage interface

6.2.6 測試實例

1）數據接收，假設接收到的原始數據字為0xA00141F2，根據ARINC429總線的傳輸協議（標識符先傳最高位，后傳最低位）可知，那么該數據字0xA00141F2低八位F2反轉后就是標識符(Label號)，即為4F。

2）數據字判斷，該數據字0xA00141F2的Label號與報文“機電管理提示級告警信號2”Label號相同，所以此數據字將參照照ICD數據管理庫中對“機電管理提示級告警信號2”的數據字定義進行解析。

3）獲取特定報文，先按照報文名稱“機電管理提示級告警信號2”獲取該報文的數據字格式，如圖4中所示。

4）獲取信號值，按照報文的數據字格式和報文中信號名字如“PTU1-2工作”獲取此信號的值為1。

5）獲取信號狀態，按照信號名字“PTU1-2工作”的值1對比ICD數據庫中對值得定義(圖4中所示)，獲取信號的狀態，此處對應為“是”。那么此信號的解析結果就為PTU1-2工作。其他信號亦是如此。

6）顯示結果，數據字0xA00141F2經過解析后，解析結果在數據解析界面中的顯示為：信號/狀態矩陣：1，奇/偶校驗位：1，PTU1-2工作，RAT開鎖。

數據字0xA00141F2的解析結果在數據分析界面中的顯示為：1:0 1:1 1:0 1:0 0:1 0:1 1:1 0:1 目的/源接收標識:1 PTU1-2工作:1 PTU2-1工作:0 RAT開鎖:1 信號/狀態矩陣:1奇/偶校驗位:1。

7 結 論

文中主要介紹了基于ARINC429總線的ICD監測軟件的實現方法及實現步驟。首先介紹了系統需求及原理，其次闡述了該軟件系統設置參數，再次給出了該軟件的設計流程和軟件運行步驟，最后詳細闡述了各個軟件功能模塊的設計方法。本系統在VS2008環境下設計，在針對某型號飛機研發的總線監測系統中，完成了對429總線信號的監測和分析，實驗表明，該監測器性能穩定可靠，操作簡便，能夠滿足系統需求，可應用于飛機航電系統調試研究和維護開發，通過對ICD數據庫升級或更新，也可應用于其他型號總線監測系統。

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Design and implementation of avionics ARINC429 bus monitoring system

WEI Bao-guo1, CAI Wei1, HAO Zhi-lang1, DU Chao-yang2
（ 1. College of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China;2. AVIC the first aircraft institute, Xi’an 710089, China）

According to the Monitoring requirements of aircraft avionics system and bus network communication fault，we designed a monitoring system of ARINC429 bus. This system equipment is a portable PC, it can receive, analyze and display bus-information real-time and efficiently through ARINC429 signal receive-board. In accordance with the avionics bus standard ICD(Interface Control Document) database， we are able to locate the fault accurately and quickly, avoid the trouble-free Disassemble, improve the maintenance efficiency. The experiments showed that the bus real-time monitoring system is stable and reliable and meets the requirements.

avonics; ARINC429 bus; bus monitor; Interface Control Document

TN919

A

1674-6236(2014)03-0037-05

2013–06–20 稿件編號：201306131

衛保國(1970—)，男，陜西乾縣人，博士，副教授。研究方向：信號與信息處理。