飛機組件BITE故障信息提取裝置設計

馮星　魏士皓　朱毅　崔海青

摘要：為解決飛機附件維修部門難以獲取組件BIT診斷信息，導致維修難度加大的問題，設計了一種便攜式飛機組件故障信息提取裝置。以FPGA和ARM控制器為主，配合外圍模擬電路設計總線接口單元;上位機基于C++實現故障數據解碼。該裝置不依賴飛機駕駛艙MCDU及CFDIU，能夠獨立讀取飛機組件的故障信息，在短距離內與人機交互界面無線聯控，提取組件故障位置。給出了系統設計方案以及實驗結果。

關鍵詞：CFDIU;飛機組件;FPGA;ARINC429

中圖分類號：V241.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0189-03

0 引言

在飛機LRU級組件的維修過程中，組件轉至附件維修部門時，航線機務人員一般難以提供組件的詳細診斷報告，這就增加了內場維修人員的維修難度[1]。因此設計一種便攜式，可以脫離飛機CFDIU的故障提取系統非常有必要。本設計采用了FPGA+ARM的結構，FPGA負責429數據發送和接收的控制，ARM向FPGA發送命令，同時ARM也負責解析FPGA收到的429數據，最后使用無線通信技術與上位機進行數據的交互，上位機將獲得到的數據以MCDU頁面的形式進行顯示。

1 總體方案

如圖1所示：系統整體分為控制器部分和429收發電路兩個部分。

核心控制器部分由FPGA、ARM和WIFI芯片以及必要的外圍器件組成，是系統的功能以及控制核心。ARM處理器經過WIFI芯片與上位機建立連接互通數據，同時將命令下發給FPGA，經其編碼成429數據格式傳遞到發送電路。

ARINC429收發電路的作用是將0、1電平的數字量編碼成ARINC429要求的雙極性歸零碼[2]，同時可以將輸入的雙極性歸零碼解碼成0、1電平供FPGA從中獲取信息。

2 硬件系統設計

2.1 控制器電路

控制器電路主要由FPGA、ARM和WIFI芯片組成。FPGA選取EP4CE6E22C8N，因其外圍電路設計簡單，片內資源豐富，完全滿足項目的設計需求;ARM芯片采用ST公司的32位單片機STM32F103C8T6，該芯片內部帶有20K的RAM和64K的ROM，具有較多的外部通信接口。WIFI芯片使用ESP8266，此芯片支持標準的IEEE802.11 b/g/n協議，內置TCP/IP協議棧，可以方便得與無線設備建立連接[3]。

FPGA芯片和ARM芯片之間使用UART的方式進行通信，ARM與WIFI芯片之間同樣使用UART通信。

2.2 ARINC429收發電路

ARINC429協議要求使用雙極性歸零碼進行通信，分為高速和低速兩種模式，而且要求上升、下降沿的時間為高速1.5±0.5us，低速10±5us。為控制實現兩種邊沿時間特性，采用74HC125控制充電時間常數實現軟件對高低速的控制。ARINC429標準規定的電平標準為±5V，時間特性參考[2]。

ARINC429的收發電路需要實現數字量和雙極性模擬量之間的相互轉換。目前市面上有集成的芯片，但考慮到使用集成芯片成本高，且不具有過流保護的功能。故通過積分電路、差分放大電路、比較電路和保護電路設計了滿足ARINC429 特性的集成電路[4]。

3 軟件設計

3.1 系統代碼邏輯設計

本裝置使用Verilog HDL語言編寫FPGA部分的代碼，包括UART接收ARM數據包、數據包校驗解析、429數據發送、429數據接收、內容打包發送五大部分。軟件發送、接收數據包的流程如圖2圖3所示。

設計了一種ARM與FPGA通信協議。如表1所示：數據包為10位的固定長度，第0位和第9位用作數據包的校驗;第1位表示數據區的長度;第2-5位組成一個429數據;第6位為通道選擇位，可選擇使用系統的0或1通道發送當前數據;第7位為速度選擇，選擇當前數據發送為高速或是低速;第8位為第1-7個數據的校驗和。

3.2 無線通信設計

無線通信使用基于ESP8266的WIFI模組實現，該模組內部自帶固件，使用AT指令進行配置。裝置將模組配置成UDP透傳模式，即設備開機工作時，自動創建WIFI網絡，等待運行上位機的設備進行連接，連接成功后，通過UDP的方式發送和接收數據[3]。

3.3 上位機設計

上位機程序設計基于Windows操作平臺，使用無線網絡與硬件電路透傳數據。頁面設計布局基于HTML+JAVASCRIPT+CSS。C++通過Windows API控制顯示界面邏輯。航空總線交互協議，以及相關標準、設計規范參考遵循ARINC604規范[5]，本文不再贅述。

4 實驗結果

經實驗測試，裝置發送的ARINC429數據滿足協議要求的標準，接收電路可將外部輸入的429數據解碼還原。裝置與AMU4031維護總線連接通信，去除包頭包尾后提取的交互數據，如表2所示。上位機程序解碼后顯示的維護頁面及故障信息，如圖4所示。

參考文獻

[1] 于銀剛.基于嵌入式的CFDIU設計[D].中國民航大學，2011.

[2] ARINC-429-protocol-tutorial V1.07[S].2004.

[3] 黃玉金，楊越，薛偉，張天成.無線模塊的AT指令UDP透傳設計[J].電子產品世界，2018，25（01）：34-36+33.

[4] 孫戈東.TTL電平信號與ARINC429信號的轉換[J].通訊世界，2015（02）：61.

[5] 宋明瑜.機載集中故障顯示系統結構化模型的研究[D].中國民航大學，2013.

Design of Aircraft Component BITE Information Extraction Device

FENG Xing，WEI Shi-hao，ZHU Yi，CUI Hai-qing

（Department of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China，TianJin? 300300）

Abstract：In order to solve the problem that it is difficult for the maintenance department of aircraft accessories to get the BIT information of component， which makes maintenance more difficult， designed a portable aircraft component information extraction device. The device is based on FPGA and ARM controller， and the bus interface unit is designed with peripheral analog circuit. The upper computer is based on C++ to achieve decoding fault data. This device does not rely on the MCDU and CFDIU devices in the cockpit of the aircraft. It can independently read the information of aircraft components， and can also wirelessly communicate with the interactive interface within a short distance， and finally extract the fault location of components. The system design and experimental results are presented in this paper.

Key words：CFDIU; aircraft components; FPGA; ARINC429