張 蓉，張鵬濤

(1.空軍軍通局，北京100166;2.空軍工程大學(xué) 裝備管理及安全工程學(xué)院，陜西 西安710051)

ARINC429航空數(shù)據(jù)總線已廣泛應(yīng)用于民航飛機(jī)等各航空領(lǐng)域，成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線［1－3］。分析航空總線上的數(shù)據(jù)流是掌握了解飛機(jī)上各個(gè)電子設(shè)備的工作過程、判斷航空電子設(shè)備各系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及故障定位、故障排除的重要手段。因此，構(gòu)建基于ARINC429機(jī)載總線［4－6］的地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行飛機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的截取、分析與功能仿真，對(duì)科學(xué)研究、系統(tǒng)測(cè)試、技術(shù)評(píng)估、故障檢測(cè)和教學(xué)演示等都有重要的意義。

1 平臺(tái)功能要求

ARINC429航空總線地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，以通用PC機(jī)為載體，建立Windows操作系統(tǒng)下基于PCI接口的ARINC429總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)符合ARINC429總線協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)通信機(jī)制［7－8］，讀取航空電子設(shè)備內(nèi)部的多種參數(shù)，并向其他設(shè)備傳送仿真數(shù)據(jù)信號(hào)，形成驅(qū)動(dòng)指令，模擬并仿真機(jī)載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。為后續(xù)研制基于ARINC429總線的航空電子設(shè)備建立測(cè)試仿真平臺(tái)［9－10］，為飛機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)及信息交換的分析研究提供操作平臺(tái)，為研究機(jī)載總線的新理論、方法及設(shè)計(jì)新型的航空電子綜合化系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

通過對(duì)系統(tǒng)功能的詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的整體方案，以3個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)為例，其整體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)硬件部分。(1)通信節(jié)點(diǎn):為整個(gè)系統(tǒng)提供運(yùn)行平臺(tái)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即一臺(tái)通用PC，裝有Windows操作系統(tǒng)，主板提供至少一個(gè)PCI總線接口插槽。(2)通信網(wǎng):包括連接電纜和ARINC429總線接口卡，連接電纜為普通同軸電纜，ARINC429總線接口卡駐留于PC機(jī)的PCI總線接口插槽中，用于將各節(jié)點(diǎn)接入其總線的通信網(wǎng)，連接各PC機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸。

3 ARINC429總線接口卡的設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是ARINC429總線接口卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，涉及到硬件的選型、電路布線以及芯片內(nèi)部程序的編寫?？偩€接口卡硬件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由4部分構(gòu)成:與主機(jī)通信的PCI接口模塊，基于多通道IP核的總線協(xié)議模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊。如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 總線接口卡硬件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 PCI接口模塊

其功能是與主機(jī)通信的PCI接口模塊，主要實(shí)現(xiàn)IP核協(xié)議模塊與主機(jī)的通信。選用PLX公司的PCI9054控制器件和E2PROM(93CS56L)初始化信息存儲(chǔ)模塊。

3.2 IP核總線協(xié)議模塊

該協(xié)議模塊實(shí)現(xiàn)多通道總線協(xié)議IP核，該IP核主要實(shí)現(xiàn)ARINC429總線協(xié)議，其既能接收轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的ARINC429總線協(xié)議數(shù)據(jù)，將其送入PCI接口模塊，又可將PCI通信模塊發(fā)出的數(shù)字信號(hào)按照ARINC429總線協(xié)議的數(shù)據(jù)格式輸出。文中基于FPGA，選用Altera公司的EP1C6Q240C8芯片配置器件搭載外界電路實(shí)現(xiàn)。

3.3 電平轉(zhuǎn)換模塊

電平轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)TTL電平與雙級(jí)歸零碼之間的轉(zhuǎn)換。采用HOLT公司專用電平轉(zhuǎn)換器件HI－8585和HI－8588搭載外接電路實(shí)現(xiàn)?？偩€接口卡硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 總線接口卡硬件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)由軟硬件共同協(xié)作完成，可分為5層，從底層到頂層依次為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層?？偩€接口卡實(shí)現(xiàn)較低3層及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層的功能，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由總線接口卡的硬件實(shí)現(xiàn)，傳輸層功能由總線接口卡上駐留的通信軟件實(shí)現(xiàn)，較高兩層即驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層的功能分別由駐留在PC機(jī)上的驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)邏輯層次結(jié)構(gòu)

從上述系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)可以看出，軟件部分主要涉及到上3層，即傳輸層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層。

(1)傳輸層實(shí)現(xiàn)對(duì)總線接口卡硬件的控制，對(duì)總線協(xié)議芯片的管理和ARINC429規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的所有消息格式的傳輸。

(2)驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)接口板與宿主機(jī)(PC機(jī))應(yīng)用軟件間的接口控制與數(shù)據(jù)傳遞，其可提供各類信息數(shù)據(jù)的讀、寫支持，對(duì)總線接口卡通信的系統(tǒng)控制，以及對(duì)板內(nèi)程序的調(diào)度。驅(qū)動(dòng)軟件的另一重要功能是對(duì)總線接口卡上報(bào)主機(jī)的中斷進(jìn)行原因分析并處理。

(3)應(yīng)用層通過對(duì)驅(qū)動(dòng)層軟件的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)用戶所需的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在驅(qū)動(dòng)層與應(yīng)用層之間增加了動(dòng)態(tài)鏈接庫，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)進(jìn)行封裝，應(yīng)用層在調(diào)用驅(qū)動(dòng)層軟件的基礎(chǔ)上，既可直接調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫中各種現(xiàn)有的功能函數(shù)，又可將所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序在多種開發(fā)平臺(tái)下使用，使應(yīng)用層軟件的開發(fā)直觀、方便。

綜上所述，系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件

5.1 傳輸軟件

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)ARINC429協(xié)議芯片的管理，并提供符合該總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸以及接口卡與PCI總線接口的通信。

5.2 驅(qū)動(dòng)軟件

圖5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

駐留于PC主機(jī)上，存在于ARINC429接口卡設(shè)備和PC機(jī)上層應(yīng)用軟件之間，直接管理其接口卡硬件設(shè)備，并對(duì)上層應(yīng)用程序提供豐富的屏蔽底層硬件特性的函數(shù)接口。

5.3 動(dòng)態(tài)鏈接庫

實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)函數(shù)中部分函數(shù)的封裝，同時(shí)提供統(tǒng)一應(yīng)用層的函數(shù)調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序在多開發(fā)平臺(tái)下的通用。

5.4 應(yīng)用軟件

駐留于PC主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)ARINC429接口卡的上層管理、設(shè)置以及數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和消息解析。并通過對(duì)該接口卡驅(qū)動(dòng)層函數(shù)庫的調(diào)用，分別仿真ARINC429總線在不同模式和狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸過程及通信機(jī)制，通過對(duì)獲取和分析系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流動(dòng)過程，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試與分析。

6 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

通過基于FPGA的ARINC429總線PCI接口卡的設(shè)計(jì)研制，建立了該平臺(tái)核心的數(shù)據(jù)收發(fā)、傳輸基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以3臺(tái)PC主機(jī)為主體的總線通信系統(tǒng)測(cè)試仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了初始化設(shè)計(jì)所需的功能。

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