消息重復(fù)型ARINC429總線事件消息包機載實時處理技術(shù)研究

石馮磊，李國星，高 盼，祁曉鵬

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

消息重復(fù)型ARINC429總線事件消息包機載實時處理技術(shù)研究

石馮磊，李國星，高 盼，祁曉鵬

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

ARINC429總線廣泛應(yīng)用于民用飛機中，在飛行試驗中，消息重復(fù)型ARINC429事件信息的實時監(jiān)控占用很大的遙測帶寬資源；采用機載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊，通過將其嵌入到機載測試系統(tǒng)中，通過采集器底板總線獲取ARINC429采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，對飛機事件信息進行解析處理，并將處理結(jié)果通過遙測系統(tǒng)遙測下傳至地面監(jiān)控中心，大大降低了遙測帶寬需求，對于飛行試驗實時安全監(jiān)控有重要意義。

飛行試驗；航空總線；機載測試；遙測；安全監(jiān)控

0 引言

ARINC429是一種串行數(shù)據(jù)總線，廣泛應(yīng)用在航空電子綜合系統(tǒng)中[1]，用于實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)字通信[2]。在飛行試驗中，通過抽引機上429數(shù)據(jù)總線，利用機載測試設(shè)備實時采集總線上的數(shù)據(jù)，通過遙測系統(tǒng)下傳至地面監(jiān)控中心，用于安全監(jiān)控與預(yù)警。目前，機上的429消息主要為周期性消息[3]，即每種Label號的消息每隔一定時間發(fā)送一次，前后兩條消息的間隔時間固定，因此對于機載測試采集系統(tǒng)，該種429信號消息的采樣頻率固定，大多只需要32 Hz的采樣頻率既能滿足要求。隨著飛機電子系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)了事件觸發(fā)的消息重復(fù)型ARINC429事件消息流，原有采集、遙測方式不再適用。本文采用機載嵌入式計算模塊，對測試系統(tǒng)采集到的事件型ARINC429數(shù)據(jù)流進行實時解析，提取事件信息，并將提取后的事件信息傳送給測試系統(tǒng)進行遙測下傳。通過處理后與處理前的數(shù)據(jù)對比，驗證的本文方法的可行性。

1 消息重復(fù)型ARINC429事件消息

對于ARINC429數(shù)據(jù)總線傳輸標準[4]，一個ARINC429字有32位，包含標志位(Label號)、源/目的識別位(SDI)、數(shù)據(jù)位(data)、符號位(SMM)、其偶校驗位(Parity)。在航空ARINC429物理總線上同時存在兩種不同類型的ARINC 429消息：一種是周期性發(fā)送的429消息數(shù)據(jù)，需要進行正常監(jiān)聽、采集、記錄和遙測；一種是由外部事件觸發(fā)的429事件消息包，需要偵聽、100%記錄、實時遙測傳輸和地面實時監(jiān)控。消息重復(fù)型ARINC429事件消息包為事件觸發(fā)型消息，由多個事先約定好Label號的標準ARINC 429消息字組成，包括事件信息包包頭，級別A事件信息，級別B事件信息……級別N事件信息，事件信息包包尾。在一條完整的ARINC 429事件消息包中，包含多個級別的事件信息，對于同一級別的事件信息，如果有多個不同事件，這些事件信息label號相同，事件編碼不同，在一條消息包中連續(xù)發(fā)送。對于該種類型的ARINC 429事件消息包，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 消息重復(fù)型ARINC429事件包結(jié)構(gòu)圖

消息重復(fù)型ARINC429事件消息包由多個標準的ARINC429消息字組成，包含消息包頭、包體和包尾。

1)包頭：具有特征Label號，表示一個事件消息包的開始，同時包含有事件包包體載荷的信息，如消息包長度、事件消息數(shù)量等；

2)包體：事件消息包的有效載荷部分，包含事件消息計數(shù)，事件消息編碼等，一個ARINC 429事消息包中包含有多種類型的ARINC429消息(多個不同Label號的消息，每個Label號的消息有多個事件編碼值，每個Label號的消息在事件包中連續(xù)發(fā)送，消息發(fā)送間隔時間為4us)；

3)包尾：具有特定Label號，表示一個事件包的結(jié)束。

對于該型ARINC429數(shù)據(jù)消息，如果采用傳統(tǒng)采集遙測方式，要保證事件信息不丟失，每個Label號的消息最小采樣率W1=100k/(32+4)≈2.78kHz。一條消息中有多個參數(shù)，如果實時遙測，將會占用大量的遙測帶寬資源。

2 方案設(shè)計

對于飛行試驗來說，目前已有較為完善的機載測試采集設(shè)備用于實現(xiàn)ARINC429周期信號的監(jiān)聽采集[5]。本文在已有ARINC429總線采集設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過嵌入式計算模塊對采集到的ARINC429消息進行解析處理，實時獲取事件信息，降低遙測帶寬需求，系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體方案

測試系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式，主要包含一臺機載測試通用采集機箱和BCU控制模塊，ARINC429消息監(jiān)聽采集模塊和嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊：

1)BCU模塊是整個機載測試系統(tǒng)的控制核心，采用BCU140控制模塊，該模塊具有一個全雙工的百兆以太網(wǎng)口，可以通過機載測試通用采集機箱底板總線對各個模塊進行讀取和寫入操作。BCU控制模塊負責協(xié)調(diào)各個模塊的運行，配置各個模塊狀態(tài)信息，挑選采集參數(shù)進行打包，以IENA包(或iNET-X包)形式進行周期性輸出，對于異步總線數(shù)據(jù)，其同時支持非周期性傳輸，能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬；

2)ARINC429監(jiān)聽模塊采用ABM101型ARINC429總線監(jiān)聽模塊，用于采集輸入的ARINC429消息流，該模塊具有8個輸入通道，能夠同時對8條ARINC429總線進行監(jiān)聽采集，根據(jù)429消息的Label號、源/目的識別字(SDI)和符號位(SMM)，對收到的ARINC429消息進行過濾采集，同時也具有ARINC429消息全通/選通監(jiān)聽能力、連貫的消息剖析器和錯誤診斷功能。該模塊的剖析器緩沖區(qū)有4096個字和相關(guān)時間、狀態(tài)消息，每條消息有2個標志位，分別表示相關(guān)429消息字是否被讀取過和是否已經(jīng)被重寫。ABM101具有一個64K字的Snarfer(嗅探)FIFO寄存器，用于存儲挑選的ARINC429消息和標簽信息，每個字有16位用于存儲消息標識信息，7位用于識別FIFO字的內(nèi)容，如表1所示。Snarfer中消息的甄別基于429總線號、消息Label號、標簽類型(時間信息、記數(shù)字)、FIFO狀態(tài)等。

3)嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊實時讀取ARINC429采集模塊的SnarferFIFO，對其中的數(shù)據(jù)進行解析還原，得到順序的429消息包。嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊用于對機載測試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行實施處理，該模塊利用FPGA進行接口轉(zhuǎn)換，通過采集機箱地板總線與測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，并將處理后的結(jié)果通過采集機箱底板總線傳送給BCU控制模塊，具備較強的通用性和叫高的數(shù)據(jù)處理能力。機載測試嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)硬件主要包含F(xiàn)PGA、ARM、DSP等，主要特點如下：

表1 Snarfer FIFO數(shù)據(jù)格式

1)FPGA集成度高，性能可靠，運算速度快，其時鐘延時可達納秒級，結(jié)合其并行工作的特點，能夠很好的用于機載測試數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、大規(guī)模的并行計算能力以及用于與采集器底板總線之間的接口轉(zhuǎn)換；

2)ARM是高性能、低能耗的RSIC嵌入式處理器，具有大容量的寄存器，支持內(nèi)存擴展，使得絕大多數(shù)運算與操作都可以在寄存器中完成，通過移植的嵌入式操作系統(tǒng)支持，能夠有效勝任嵌入式系統(tǒng)的多任務(wù)線程管理與計算調(diào)度處理等；

3)DSP具有強大的定點數(shù)與浮點數(shù)運算能力，特別適合數(shù)字信號處理運算，可實時快速地實現(xiàn)各種浮點數(shù)與定點數(shù)的計算處理，在嵌入式實時數(shù)據(jù)處理模塊中主要用于實現(xiàn)各種復(fù)雜算法及數(shù)字信號處理等。

其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

在該系統(tǒng)中，利用FPGA進行接口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與機載測試采集機箱底板總線間的互聯(lián)，并通過底板總線獲取測試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，將其傳送給嵌入式控制器進行處理，并將處理結(jié)果通過底板總線傳送給測試系統(tǒng)BCU模塊進行采集輸出。

機載嵌入式數(shù)據(jù)處理功能的實現(xiàn)主要采用軟件方式，根據(jù)計算任務(wù)需求，編寫用戶程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果通過底板總線傳送給測試采集系統(tǒng)的BCU模塊。對于不同的計算處理任務(wù)需求，可通過編寫不同的用戶處理程序，靈活實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)計算任務(wù)的處理。系統(tǒng)軟件構(gòu)架如圖4所示。

圖4 嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊軟件構(gòu)架

系統(tǒng)軟件基于嵌入式片上系統(tǒng)，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，包含用戶庫、監(jiān)控管理程序和用戶程序。在系統(tǒng)啟動時，由底層驅(qū)動程序通過FPGA接口獲取輸入?yún)?shù)，并為其分配內(nèi)存空間，等待用戶程序進行處理。處理算法的實現(xiàn)在用戶程序中完成，可根據(jù)處理任務(wù)需要，靈活的編寫用戶實現(xiàn)程序，編譯完一個用戶程序后，將編譯結(jié)果與所需的庫文件打包，將其下載到嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊中。監(jiān)控管理程序控制是否通過FPGA接口下載應(yīng)用程序，同時，監(jiān)控管理程序也輔助配置系統(tǒng)操作所需的所有文件系統(tǒng)和設(shè)備。

由于消息重復(fù)型ARINC429事件消息特定的Label號表示事件級別，每個事件信息有一個唯一的事件編碼，對于一條包含5種級別(5個有效負載Label號，不同事件編碼)、最多1024條事件消息(事件編碼位0～1023)的消息包，如果采用全采集的方式，所占用的數(shù)據(jù)帶寬為W2=100k/(32+4)*7*32≈622.2kb。本文采用一一映射的方法，將每條事件信息都映射為一個bit位，根據(jù)事件編碼數(shù)量，定義n(n=64)個16 bit的字來表示所有事件信息，當接收到事件編碼為warncode的事件信息時，對相應(yīng)字(wordnum)的相應(yīng)位(bitnum)置1，如圖5所示。

圖5 事件信息數(shù)據(jù)定義與編碼

例如，當warncode(消息包中的事件信息編碼，用于識別事件信息類型)為35時，wordnum=warncode/16=2，wordnum=warncode%16=3，即在一個消息重復(fù)型ARINC429事件消息包中，收到事件編碼為35的事件消息時，將用于存儲事件信息標志位的數(shù)組的第2字的第3位置1，表示發(fā)生了事件編碼為35的事件。

由于對事件信息進行了一一映射，同一Label號的事件消息不會被其它相同Label號、不同的事件編碼的事件消息所覆蓋。因此，對于映射后的ARINC429事件信息的采樣頻率可以降低，僅需32Hz的采樣率即可滿足要求。映射后的事件信息所占數(shù)據(jù)帶寬W3=64×32×16b=32.768kb，遠小于原有采集方案所需的遙測帶寬W2，因此，該方案能夠大大降低ARINC429事件信息實時監(jiān)控所需的遙測帶寬資源。

3 軟件編程

本文采用機載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊，采用軟件方式實現(xiàn)消息重復(fù)型ARINC429事件消息包的處理與解析。軟件編程基于嵌入式Linux系統(tǒng)，采用C語言編寫了用戶處理程序，程序內(nèi)容主要包括讀取Snarfer FIFO、獲取Snarfer中ARINC429消息的Label號、對當前Label號Snarfer數(shù)據(jù)進行拼接和解析、事件信息映射和映射信息輸出。

1)Snarfer FIFO數(shù)據(jù)獲取程序：

Ref = mat_get_buffer(&kernelpair);//獲取下一個輸入Snarfer buffermat_get_inputAddr(kernelpair,&inputBuffer)//將inputBuffer指向輸入數(shù)據(jù)(即讀取的Snarfer FIFO內(nèi)容)

2)Snarfer中ARINC429消息解析：

在Snarfer模式中，被挑選的429消息(根據(jù)Label號挑選429信息)存儲在Snarfer的FIFO中，在SnarferFIFO中，一個429消息字被分成9個32位的字，存儲在FIFO中，根據(jù)FIFO中數(shù)據(jù)格式進行解析，還原429消息字。

If(inputBuffer_high==1024)//表示該條ARINC429消息為通道0的消息，且inputBuffer_low(R[15:0])中含有ARINC429消息的Label號

Label=changeToLabel(inputBuffer_low&0x01fe)//獲取429消息的Label號

Switch(Label)//根據(jù)不同的label號(包頭、包體、包尾、其它等)，對429消息作相應(yīng)的處理

Case start：//收到事件消息包包頭，表示一個消息重復(fù)型ARINC429事件消息包的開始，讀取有效載荷內(nèi)容，即包體信息和事件信息數(shù)量等。

Case warn：//收到事件消息報包體載荷，該label中數(shù)據(jù)為事件信息，Label表征事件級別，數(shù)據(jù)內(nèi)容包包含事件消息的順序和事件的編碼信息，根據(jù)事件編碼，將相應(yīng)映射位置1。

Case end；收到事件消息包包尾，表示一條消息重復(fù)型ARINC429事件消息包已經(jīng)結(jié)束，將映射信息輸出至測試系統(tǒng)BCU模塊進行采樣，BCU模塊根據(jù)設(shè)置的采樣頻率對結(jié)果打包成IENA包，以固定周期將其發(fā)送出去。

3)重復(fù)讀取Snarfer FIFO中的內(nèi)容。

系統(tǒng)總體流程圖如圖4所示。

圖6 軟件工作流程圖

4 實驗驗證

為驗證本文方法的可行性與有效性，在實驗室環(huán)境進行了大量的實驗。實驗中利用多功能總線信號模擬器模擬多條消息重復(fù)型ARINC429事件消息包，由ABM101總線監(jiān)聽模塊進行采集，通過機載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊對ABM101的SnarferFIFO中數(shù)據(jù)進行處理，并在Windows系統(tǒng)上編寫了檢查軟件，對BCU輸出的INEA包內(nèi)容進行檢查，將映射結(jié)果進行還原事件信息，與模擬器實際發(fā)送的事件消息包內(nèi)容進行了對比。結(jié)果表明，本文所提出的方案可行有效，從BCU輸出的映射數(shù)據(jù)能準確還原出消息重復(fù)型ARINC429消息中的完整的事件信息，且消息參數(shù)采樣率和ARINC429事件消息數(shù)據(jù)所占的帶寬大大減少。

5 結(jié)論

本文采用嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)了消息重復(fù)型ARINC429總線事件消息包機載實時處理，驗證了在機載測試采集前端對測試采集數(shù)據(jù)進行處理的可行性與有效性，為后續(xù)其它數(shù)據(jù)量大、需實時遙測的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時地面監(jiān)控提供了參考解決方案。消息重復(fù)型ARINC429總線事件消息包機載實時處理，解決了原有機載測試系統(tǒng)事件信息采集、遙測的難題，在保證事件數(shù)據(jù)不丟失的情況下，降低了安全監(jiān)控所需的遙測帶寬需求，對飛行試驗實時監(jiān)控有一定的促進意義。同時，對于在飛行試驗中遇到的一些新的測試需求，采用機載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊對測試采集數(shù)據(jù)進行處理，能夠在一定程度上能夠解決一遇到新問題就需研制新的測試設(shè)備的尷尬境地，降低了飛行試驗機載測試系統(tǒng)的成本和測試系統(tǒng)方案、設(shè)備的準備時間。

[1] 李 榕, 劉衛(wèi)國, 劉曉劍. 航空用ARINC429總線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制, 2005, 13(9):970-972.

[2] 張戰(zhàn)平. ARINC429航空通訊總線設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2013, 21(8):2230-2233.

[3] 李偉英, 吳成富, 王 亮,等. 基于RTX實時環(huán)境ARINC429航空通信總線驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù), 2011, 30(1):79-82.

[4] 田立強, 曾祥燁, 蘇彥莽,等. 基于FPGA的ARINC429接口設(shè)計[J]. 測控技術(shù), 2015, 34(2):91-94.

[5] 安春雷, 梁葆華, 張 鵬. 基于嵌入式模塊的機載429總線數(shù)據(jù)測試設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用研究[J]. 科技傳播, 2013(13):174-175.

Research on the Real-time Processing Technology of Message Repeating Type of ARINC429 Bus Event Message Packet

Shi Fenglei, Li Guoxing,Gao Pan, Qi Xiaopeng

(China Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

ARINC429bus is widely used in civil aircraft. In the fight test, the real-time monitoring of message repetition ARINC429 event information occupies a large amount of telemetry bandwidth resources. Through embedded the data processing module into the airborne test system, the data processing module obtained the collected date of ARINC429 acquisition module through the backplane bus of the collector. The data processing module analyzed the aircraft incident information and delivered the results to the ground monitoring center by the telemetry system. It can greatly reduce the demand of telemetry bandwidth and make great significance for real-time safety monitoring of flight test.

Flight test；ARINC429；airborne test system；telemetry；safety monitoring

2017-01-18；

2017-02-27。

石馮磊(1990-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，工程師，主要從事飛行試驗與機載測試研究。

1671-4598(2017)05-0195-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.054

TP274

A