石馮磊，李國(guó)星，高 盼，祁曉鵬

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

消息重復(fù)型ARINC429總線事件消息包機(jī)載實(shí)時(shí)處理技術(shù)研究

石馮磊，李國(guó)星，高 盼，祁曉鵬

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

ARINC429總線廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)中，在飛行試驗(yàn)中，消息重復(fù)型ARINC429事件信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控占用很大的遙測(cè)帶寬資源；采用機(jī)載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊，通過(guò)將其嵌入到機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)采集器底板總線獲取ARINC429采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)飛機(jī)事件信息進(jìn)行解析處理，并將處理結(jié)果通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)遙測(cè)下傳至地面監(jiān)控中心，大大降低了遙測(cè)帶寬需求，對(duì)于飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控有重要意義。

飛行試驗(yàn)；航空總線；機(jī)載測(cè)試；遙測(cè)；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(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)字通信[2]。在飛行試驗(yàn)中，通過(guò)抽引機(jī)上429數(shù)據(jù)總線，利用機(jī)載測(cè)試設(shè)備實(shí)時(shí)采集總線上的數(shù)據(jù)，通過(guò)遙測(cè)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(jī)上的429消息主要為周期性消息[3]，即每種Label號(hào)的消息每隔一定時(shí)間發(fā)送一次，前后兩條消息的間隔時(shí)間固定，因此對(duì)于機(jī)載測(cè)試采集系統(tǒng)，該種429信號(hào)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(jī)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(cè)方式不再適用。本文采用機(jī)載嵌入式計(jì)算模塊，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)采集到的事件型ARINC429數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)解析，提取事件信息，并將提取后的事件信息傳送給測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行遙測(cè)下傳。通過(guò)處理后與處理前的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證的本文方法的可行性。

1 消息重復(fù)型ARINC429事件消息

對(duì)于ARINC429數(shù)據(jù)總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)[4]，一個(gè)ARINC429字有32位，包含標(biāo)志位(Label號(hào))、源/目的識(shí)別位(SDI)、數(shù)據(jù)位(data)、符號(hào)位(SMM)、其偶校驗(yàn)位(Parity)。在航空ARINC429物理總線上同時(shí)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(jìn)行正常監(jiān)聽(tīng)、采集、記錄和遙測(cè)；一種是由外部事件觸發(fā)的429事件消息包，需要偵聽(tīng)、100%記錄、實(shí)時(shí)遙測(cè)傳輸和地面實(shí)時(shí)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(gè)事先約定好Label號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)ARINC 429消息字組成，包括事件信息包包頭，級(jí)別A事件信息，級(jí)別B事件信息……級(jí)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(gè)級(jí)別的事件信息，對(duì)于同一級(jí)別的事件信息，如果有多個(gè)不同事件，這些事件信息label號(hào)相同，事件編碼不同，在一條消息包中連續(xù)發(fā)送。對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)，表示一個(gè)事件消息包的開(kāi)始，同時(shí)包含有事件包包體載荷的信息，如消息包長(zhǎng)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(jì)數(shù)，事件消息編碼等，一個(gè)ARINC 429事消息包中包含有多種類型的ARINC429消息(多個(gè)不同Label號(hào)的消息，每個(gè)Label號(hào)的消息有多個(gè)事件編碼值，每個(gè)Label號(hào)的消息在事件包中連續(xù)發(fā)送，消息發(fā)送間隔時(shí)間為4us)；

3)包尾：具有特定Label號(hào)，表示一個(gè)事件包的結(jié)束。

對(duì)于該型ARINC429數(shù)據(jù)消息，如果采用傳統(tǒng)采集遙測(cè)方式，要保證事件信息不丟失，每個(gè)Label號(hào)的消息最小采樣率W1=100k/(32+4)≈2.78kHz。一條消息中有多個(gè)參數(shù)，如果實(shí)時(shí)遙測(cè)，將會(huì)占用大量的遙測(cè)帶寬資源。

2 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于飛行試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，目前已有較為完善的機(jī)載測(cè)試采集設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)ARINC429周期信號(hào)的監(jiān)聽(tīng)采集[5]。本文在已有ARINC429總線采集設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)嵌入式計(jì)算模塊對(duì)采集到的ARINC429消息進(jìn)行解析處理，實(shí)時(shí)獲取事件信息，降低遙測(cè)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(cè)試系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式，主要包含一臺(tái)機(jī)載測(cè)試通用采集機(jī)箱和BCU控制模塊，ARINC429消息監(jiān)聽(tīng)采集模塊和嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊：

1)BCU模塊是整個(gè)機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，采用BCU140控制模塊，該模塊具有一個(gè)全雙工的百兆以太網(wǎng)口，可以通過(guò)機(jī)載測(cè)試通用采集機(jī)箱底板總線對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。BCU控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的運(yùn)行，配置各個(gè)模塊狀態(tài)信息，挑選采集參數(shù)進(jìn)行打包，以IENA包(或iNET-X包)形式進(jìn)行周期性輸出，對(duì)于異步總線數(shù)據(jù)，其同時(shí)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(tīng)模塊采用ABM101型ARINC429總線監(jiān)聽(tīng)模塊，用于采集輸入的ARINC429消息流，該模塊具有8個(gè)輸入通道，能夠同時(shí)對(duì)8條ARINC429總線進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)采集，根據(jù)429消息的Label號(hào)、源/目的識(shí)別字(SDI)和符號(hào)位(SMM)，對(duì)收到的ARINC429消息進(jìn)行過(guò)濾采集，同時(shí)也具有ARINC429消息全通/選通監(jiān)聽(tīng)能力、連貫的消息剖析器和錯(cuò)誤診斷功能。該模塊的剖析器緩沖區(qū)有4096個(gè)字和相關(guān)時(shí)間、狀態(tài)消息，每條消息有2個(gè)標(biāo)志位，分別表示相關(guān)429消息字是否被讀取過(guò)和是否已經(jīng)被重寫(xiě)。ABM101具有一個(gè)64K字的Snarfer(嗅探)FIFO寄存器，用于存儲(chǔ)挑選的ARINC429消息和標(biāo)簽信息，每個(gè)字有16位用于存儲(chǔ)消息標(biāo)識(shí)信息，7位用于識(shí)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(hào)、消息Label號(hào)、標(biāo)簽類型(時(shí)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(shí)時(shí)讀取ARINC429采集模塊的SnarferFIFO，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施處理，該模塊利用FPGA進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，通過(guò)采集機(jī)箱地板總線與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，并將處理后的結(jié)果通過(guò)采集機(jī)箱底板總線傳送給BCU控制模塊，具備較強(qiáng)的通用性和叫高的數(shù)據(jù)處理能力。機(jī)載測(cè)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(diǎn)如下：

表1 Snarfer FIFO數(shù)據(jù)格式

1)FPGA集成度高，性能可靠，運(yùn)算速度快，其時(shí)鐘延時(shí)可達(dá)納秒級(jí)，結(jié)合其并行工作的特點(diǎn)，能夠很好的用于機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、大規(guī)模的并行計(jì)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(kuò)展，使得絕大多數(shù)運(yùn)算與操作都可以在寄存器中完成，通過(guò)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(jì)算調(diào)度處理等；

3)DSP具有強(qiáng)大的定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力，特別適合數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，可實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種浮點(diǎn)數(shù)與定點(diǎn)數(shù)的計(jì)算處理，在嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊中主要用于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法及數(shù)字信號(hào)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(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與機(jī)載測(cè)試采集機(jī)箱底板總線間的互聯(lián)，并通過(guò)底板總線獲取測(cè)試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，將其傳送給嵌入式控制器進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過(guò)底板總線傳送給測(cè)試系統(tǒng)BCU模塊進(jìn)行采集輸出。

機(jī)載嵌入式數(shù)據(jù)處理功能的實(shí)現(xiàn)主要采用軟件方式，根據(jù)計(jì)算任務(wù)需求，編寫(xiě)用戶程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過(guò)底板總線傳送給測(cè)試采集系統(tǒng)的BCU模塊。對(duì)于不同的計(jì)算處理任務(wù)需求，可通過(guò)編寫(xiě)不同的用戶處理程序，靈活實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)計(jì)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(kù)、監(jiān)控管理程序和用戶程序。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由底層驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)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(jìn)行處理。處理算法的實(shí)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(xiě)用戶實(shí)現(xiàn)程序，編譯完一個(gè)用戶程序后，將編譯結(jié)果與所需的庫(kù)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(guò)FPGA接口下載應(yīng)用程序，同時(shí)，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(hào)表示事件級(jí)別，每個(gè)事件信息有一個(gè)唯一的事件編碼，對(duì)于一條包含5種級(jí)別(5個(gè)有效負(fù)載Label號(hào)，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(gè)bit位，根據(jù)事件編碼數(shù)量，定義n(n=64)個(gè)16 bit的字來(lái)表示所有事件信息，當(dāng)接收到事件編碼為warncode的事件信息時(shí)，對(duì)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(dāng)warncode(消息包中的事件信息編碼，用于識(shí)別事件信息類型)為35時(shí)，wordnum=warncode/16=2，wordnum=warncode%16=3，即在一個(gè)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(shí)，將用于存儲(chǔ)事件信息標(biāo)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(duì)事件信息進(jìn)行了一一映射，同一Label號(hào)的事件消息不會(huì)被其它相同Label號(hào)、不同的事件編碼的事件消息所覆蓋。因此，對(duì)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(yuǎn)小于原有采集方案所需的遙測(cè)帶寬W2，因此，該方案能夠大大降低ARINC429事件信息實(shí)時(shí)監(jiān)控所需的遙測(cè)帶寬資源。

3 軟件編程

本文采用機(jī)載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊，采用軟件方式實(shí)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(yǔ)言編寫(xiě)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(hào)、對(duì)當(dāng)前Label號(hào)Snarfer數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)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(hào)挑選429信息)存儲(chǔ)在Snarfer的FIFO中，在SnarferFIFO中，一個(gè)429消息字被分成9個(gè)32位的字，存儲(chǔ)在FIFO中，根據(jù)FIFO中數(shù)據(jù)格式進(jìn)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(hào)

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

Switch(Label)//根據(jù)不同的label號(hào)(包頭、包體、包尾、其它等)，對(duì)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(gè)消息重復(fù)型ARINC429事件消息包的開(kāi)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(bào)包體載荷，該label中數(shù)據(jù)為事件信息，Label表征事件級(jí)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(cè)試系統(tǒng)BCU模塊進(jìn)行采樣，BCU模塊根據(jù)設(shè)置的采樣頻率對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法的可行性與有效性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中利用多功能總線信號(hào)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(tīng)模塊進(jìn)行采集，通過(guò)機(jī)載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)ABM101的SnarferFIFO中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在Windows系統(tǒng)上編寫(xiě)了檢查軟件，對(duì)BCU輸出的INEA包內(nèi)容進(jìn)行檢查，將映射結(jié)果進(jìn)行還原事件信息，與模擬器實(shí)際發(fā)送的事件消息包內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了消息重復(fù)型ARINC429總線事件消息包機(jī)載實(shí)時(shí)處理，驗(yàn)證了在機(jī)載測(cè)試采集前端對(duì)測(cè)試采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)遙測(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jī)載實(shí)時(shí)處理，解決了原有機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)事件信息采集、遙測(cè)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(cè)帶寬需求，對(duì)飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控有一定的促進(jìn)意義。同時(shí)，對(duì)于在飛行試驗(yàn)中遇到的一些新的測(cè)試需求，采用機(jī)載嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)測(cè)試采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠在一定程度上能夠解決一遇到新問(wèn)題就需研制新的測(cè)試設(shè)備的尷尬境地，降低了飛行試驗(yàn)機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的成本和測(cè)試系統(tǒng)方案、設(shè)備的準(zhǔn)備時(shí)間。

[1] 李 榕, 劉衛(wèi)國(guó), 劉曉劍. 航空用ARINC429總線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2005, 13(9):970-972.

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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(yàn)與機(jī)載測(cè)試研究。

1671-4598(2017)05-0195-04

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

TP274

A