基于低成本多速率的手持式429總線測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

成都飛亞航空設(shè)備應(yīng)用研究所有限公司 劉克林

基于低成本多速率的手持式429總線測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

成都飛亞航空設(shè)備應(yīng)用研究所有限公司 劉克林

按照檢測(cè)設(shè)備"三化"的要求,本文設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)了基于RISC精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)、高速處理能力的AVR單片機(jī)為核心,并輔助MAX232等芯片及鍵盤(pán)、顯示屏等外圍器件設(shè)計(jì)了一種低成本多速率的手持式429總線測(cè)試儀。該測(cè)試儀以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ),并結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的測(cè)試測(cè)量技術(shù)和總線通信技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了429總線測(cè)試。測(cè)試儀不僅實(shí)現(xiàn)了12.5kbps、50kbps和100kbps三種速率的總線測(cè)試,還可根據(jù)不同的速率進(jìn)行升級(jí),體現(xiàn)出了測(cè)試儀具備的高可靠性、較強(qiáng)的擴(kuò)展性及適用性。實(shí)踐證明,該測(cè)試儀能夠滿足12.5kbps、50kbps和100kbps三種速率的429總線測(cè)試要求,運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便及攜帶方便等特點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景。

429總線測(cè)試;AVR總線通信技術(shù);低成本;多速率;手持式

1.引言

上世紀(jì)60、70年代以前,機(jī)載電子設(shè)備之間連接需要大量的電纜,這會(huì)占用很大的空間和重量,測(cè)試也復(fù)雜,成本也較高。目前自動(dòng)化程度較高的飛機(jī)使用了數(shù)據(jù)總線,克服了以上弊端。這些數(shù)據(jù)總線包括ARINC429、1553B、CSDB等,在對(duì)飛機(jī)及部件進(jìn)行維修、測(cè)試時(shí)常需要對(duì)總線進(jìn)行測(cè)試,其中ARINC429總線得到了最為廣泛的應(yīng)用。ARINC429是美國(guó)無(wú)線電公司制訂的一種總線協(xié)議,采用低速(12.5kbps)和高速(100Kbps)兩種速率。俄制軍用飛機(jī)選用了類(lèi)似的總線標(biāo)準(zhǔn)(ГСОТ18977-97),一般采用50kbps的速率。我國(guó)也有與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),通常采用HS3282或DE11016芯片實(shí)現(xiàn)429總線數(shù)據(jù)收發(fā),但這兩種芯片只支持12.5kbps和100Kbps兩種速率,不能在俄制裝備的相關(guān)設(shè)備中使用,市場(chǎng)上能支持12.5kbps、50kbps和100kbps三種速率的429總線測(cè)試設(shè)備多數(shù)是采用工控機(jī)上并加裝429總線板卡的方案,這種測(cè)試設(shè)備體積大,攜帶不方便,而且價(jià)格昂貴。本文以RISC精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)、具有接近1MIPS/1MHz的高速處理能力、片上資源豐富的新型AVR單片機(jī)ATmega128為核心微處理器技術(shù),輔助MAX232等通用芯片、電路設(shè)計(jì)了多速率429總線收發(fā)模塊的總線通信技術(shù),并結(jié)合基于AVR單片機(jī)微處理器的C語(yǔ)言控制軟件技術(shù),實(shí)現(xiàn)了支持12.5kbps、50kbps和100kbps三種速率的體積小、重量輕且攜帶方便手持式429總線測(cè)試儀。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ),并結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的測(cè)試測(cè)量技術(shù)總線通信技術(shù)及軟件技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了429總線測(cè)試。在微處理器的控制之下,測(cè)試儀接收輸入單元的指令,通過(guò)控制單元實(shí)現(xiàn)429收發(fā)單元的控制,在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件的控制之下,進(jìn)行設(shè)置與操作、命令發(fā)送與接收、通過(guò)429總線將通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)信息,同時(shí),模擬相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行交互式通信等完成相關(guān)功能的測(cè)試。

按照總線測(cè)試儀的測(cè)試規(guī)范及工藝操作流程要求,系統(tǒng)由顯示單元、鍵盤(pán)及開(kāi)關(guān)輸入單元、控制單元、429接收及緩沖單元、429產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)單元、鋰電池及電源管理單元等組成。系統(tǒng)具有的功能有:自檢、電源管理、通信控制、數(shù)據(jù)處理等。整個(gè)系統(tǒng)分六個(gè)子系統(tǒng),系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖所示,各個(gè)系統(tǒng)相互配合,完成最終測(cè)試任務(wù)。

手持式測(cè)試儀為便于外場(chǎng)使用,電源部分采用DC9V電池或者外接AC220V轉(zhuǎn)9V適配器供電。測(cè)試儀設(shè)計(jì)了電源管理電路,當(dāng)外接AC220V轉(zhuǎn)9V適配器供電時(shí),電池供電自動(dòng)斷開(kāi)。如果電池電壓太低,測(cè)試儀將給出電池電壓低標(biāo)志,同時(shí)聲控報(bào)警,提醒用戶(hù)及時(shí)充電,以免影響系統(tǒng)的正常工作,電池供電可持續(xù)供電8小時(shí)。為了節(jié)省電能,系統(tǒng)充分利用睡眠模式,如系統(tǒng)檢測(cè)到5分鐘內(nèi)沒(méi)有任何鍵按下,液晶屏背光將自動(dòng)關(guān)閉;如果10分鐘內(nèi)沒(méi)有任何鍵按下,系統(tǒng)將通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警10秒,然后將自動(dòng)關(guān)閉A/ D、UART、液晶顯示等模塊,并時(shí)入掉電模式(POWER-DOWN MODE),按下任一按鍵可激活整個(gè)系統(tǒng)。

控制單元以AVR單片機(jī)微處理器為核心配合外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn),采用16M外置晶體振蕩器,以保證系統(tǒng)能快速處理100kbps速率的429總線數(shù)據(jù)而不丟失。兩個(gè)8位定時(shí)器、兩個(gè)16位定時(shí)器和8個(gè)外中斷足夠系統(tǒng)使用。系統(tǒng)自帶的存儲(chǔ)系統(tǒng)已滿足系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的保存,考慮到測(cè)試儀的可擴(kuò)展性,本測(cè)試儀還擴(kuò)展了一片存儲(chǔ)芯片。

本檢測(cè)儀按鍵采用5列X6行矩陣鍵盤(pán),軟件換向鍵盤(pán)掃法,調(diào)用鍵盤(pán)掃描程序,記錄下行和列鍵值,從而確定哪個(gè)鍵被按下。

該檢測(cè)儀采用金鵬電子公司的OCMJ4X8B-1中文液晶顯示屏,該屏可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形和變化曲線的同屏顯示,128X64象素圖形點(diǎn)陣液晶屏,可顯8行漢字,工作溫度可達(dá)-20℃～70℃,非常適用于手持式儀器,標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)硬件接口REQ/ BUSY握手通訊協(xié)議,簡(jiǎn)單可靠,采用4線SPI模式,只要5根線與單片機(jī)相連接,與ATMEGA128接口電平兼容。

ARINC429數(shù)據(jù)總線由雙絞屏蔽線組成,三種狀態(tài)的邏輯電平傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流由帶有奇偶校驗(yàn)的32位消息字構(gòu)成,在連續(xù)傳輸?shù)南⒆种g至少有4個(gè)位時(shí)的時(shí)間間隔。數(shù)據(jù)的前8位是標(biāo)號(hào)位(LABEL),后24位是數(shù)據(jù)部分。標(biāo)號(hào)位標(biāo)記出數(shù)據(jù)部分的信息類(lèi)型,也就是傳送的數(shù)據(jù)的屬性。比如,標(biāo)號(hào)為八進(jìn)制數(shù)030,表示傳送的是VHF頻率信息,標(biāo)號(hào)為八進(jìn)制數(shù)201,表示傳送的是DME數(shù)據(jù)。硬件電路上,429收發(fā)單元接收部分采用三極管電路即可實(shí)現(xiàn),發(fā)送電路通過(guò)反向器及常用的MAX232串口通信芯片,配合系統(tǒng)軟件即可完成。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)借助微處理器開(kāi)發(fā)平臺(tái),自定義操作界面,采用模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)軟件的運(yùn)行圍繞按鍵控制進(jìn)行,軟件的編寫(xiě)也以鍵盤(pán)按鍵為基礎(chǔ)。標(biāo)識(shí)著系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)名稱(chēng),每一條線都表示一種循環(huán)。在該狀態(tài)中,系統(tǒng)一直等的按鍵按下,如果有,系統(tǒng)立即掃描按鍵,得出鍵值,并與直線下方的按鍵進(jìn)行比較,如有相同的按鍵,馬上執(zhí)行該鍵對(duì)應(yīng)的程序。例如在準(zhǔn)備接收狀態(tài),如果"BACKDROP"鍵選擇,液晶屏背光由ON(亮)變?yōu)镺FF(滅)或者由滅變?yōu)榱?"SPEED"鍵按下,429總線頻率將在LO(12.5kbps)、ME(50kbps)和HI(100kbps)之間相互轉(zhuǎn)換;"PARITY"鍵用于429總線數(shù)據(jù)選擇是ODD(偶校驗(yàn))還是EVE(奇校驗(yàn))校驗(yàn)方式;"MODE"鍵用來(lái)選擇是RI(接收)還是TI(發(fā)送)方式;"DISPLAY"鍵選擇數(shù)據(jù)是HEX(十六進(jìn)制)進(jìn)制顯示,還是ENG(工程數(shù)據(jù))進(jìn)行顯示。如:顯示工程數(shù)據(jù)為"0012.0000 KNOTS",表示收到的空速為12KNOTS。具體數(shù)據(jù)請(qǐng)參考被測(cè)試件工藝。

3.結(jié)束語(yǔ)

鑒于現(xiàn)代總線測(cè)試設(shè)備的要求,本總線測(cè)試儀摒棄了傳統(tǒng)采用HS3282或DE11016芯片設(shè)計(jì)429總線收發(fā)模塊的方法,而采用高速處理能力AVR處理器為核心,并輔助MAX232等芯片及鍵盤(pán)顯示屏等外圍器件及相應(yīng)的測(cè)試軟件的方案來(lái)實(shí)現(xiàn),在設(shè)計(jì)時(shí)采用的模塊化結(jié)構(gòu)、微處理器技術(shù)及靈活的軟件程序,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)美制及俄制的不同機(jī)型和設(shè)備的12.5kbps、50kbps和100kbps三種速率的429總線測(cè)試,并進(jìn)而保證了系統(tǒng)在可靠性、便捷性、適用性及經(jīng)濟(jì)性方面的需求。同時(shí),該總線測(cè)試儀已經(jīng)在多個(gè)部隊(duì)及航空中心修理廠內(nèi)、外場(chǎng)等不同場(chǎng)合對(duì)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、控顯組件等進(jìn)行了測(cè)試,得到了成功的應(yīng)用。