郭 鑫，薛昭洋，陳 奎，王山虎，於二軍

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

ARINC429通信總線是航空電子技術(shù)中，一類穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)總線形式，其依據(jù)ARINC429規(guī)范，規(guī)定了航空電子設(shè)備(系統(tǒng))間的數(shù)字信息傳輸要求。國(guó)內(nèi)外多種機(jī)型中，將ARINC429總線，聯(lián)同1553B、CAN、AFDX等總線，作為機(jī)上主要的通信總線[1]。

1 ARINC429總線簡(jiǎn)介

ARINC429總線是基于數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)(Digital Information Transfer System,DITS)規(guī)范的數(shù)據(jù)總線，在民用航空通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。ARINC429總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。連接方式上，串行ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，429總線以差分輸出的平衡方式工作，為面向接口型的單向廣播式傳輸總線。ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，429總線上只允許有1個(gè)發(fā)送器，但可以有最多20個(gè)接收器；數(shù)據(jù)采用雙絞屏蔽線進(jìn)行異步傳輸。電平特征上，429總線采用雙極性歸零碼的三態(tài)調(diào)制編碼方式，調(diào)制信號(hào)有“高”、“零”、“低”三種電平狀態(tài)。傳輸速率方面，429總線可配置成高速(100 kHz)、低速(12.5 kHz)兩種模式。傳輸協(xié)議方面，429總線在物理層上，1個(gè)數(shù)據(jù)包包含32位數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)格式定義如圖1所示。

圖1 ARINC429規(guī)范數(shù)據(jù)格式

圖1中，bit31表示高位，bit0表示低位，Parity指奇偶校驗(yàn)(ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)使用奇校驗(yàn))，SSM表示信號(hào)/狀態(tài)矩陣，用于描述某次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)性質(zhì)，DATA表示數(shù)據(jù)，SDI表示數(shù)據(jù)起源/目的地，LABEL域表示數(shù)據(jù)類型，不同數(shù)據(jù)類型指代飛機(jī)上不同的子系統(tǒng)。傳輸時(shí)，按照LABEL→SDI→DATA→SSM→Parity的順序，其中LABEL域先傳輸高位再傳輸?shù)臀?，DATA域先傳輸?shù)臀辉賯鬏敻呶唬式邮辗浇邮盏?29字時(shí)，需要對(duì)LABEL域進(jìn)行逆序處理。

2 問題描述

機(jī)載計(jì)算機(jī)ARINC429總線電路設(shè)計(jì)中，通過FPGA的IP核實(shí)現(xiàn)ARINC429收/發(fā)協(xié)議，外圍再搭配對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片，完成429收/發(fā)通道，為常見的設(shè)計(jì)方式。圖2中，F(xiàn)PGA選用K7系列，發(fā)送、接收驅(qū)動(dòng)芯片分別為HI-8596和HI-8591。同時(shí)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控總線狀態(tài)及總線上的數(shù)據(jù)傳輸，也為了提高429總線的測(cè)試性，通常會(huì)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行回繞設(shè)計(jì)，將發(fā)送通道回繞連接至接收通道。對(duì)于由FPGA IP核實(shí)現(xiàn)的429總線發(fā)送通道和接收通道，由于FPGA管腳電氣特性為TTL電平，故429總線的發(fā)送通道和接收通道分別需由專用發(fā)送器和接收器驅(qū)動(dòng)至總線[4]，如圖2所示。設(shè)計(jì)429總線內(nèi)回繞電路時(shí)，若只站在計(jì)算機(jī)本身的角度考慮，脫離計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境，則設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將發(fā)送通道的差分信號(hào)線回繞掛接至429功能電路內(nèi)的某個(gè)接收器上。這種設(shè)計(jì)，在計(jì)算機(jī)電路級(jí)調(diào)試、測(cè)試階段，可以巧妙地同時(shí)完成429功能電路發(fā)送通道和接收通道的測(cè)試，但在計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，以連接測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試為例，會(huì)引發(fā)故障，故障機(jī)理如圖2所示。

圖2 故障模型

圖2中，虛線表示機(jī)載計(jì)算機(jī)429總線通過零歐電阻R實(shí)現(xiàn)的內(nèi)回繞設(shè)計(jì)。整體來(lái)看，由于不合適的內(nèi)回繞設(shè)計(jì)，當(dāng)計(jì)算機(jī)連接外部設(shè)備時(shí)，該條429總線引入了2個(gè)發(fā)送器和2個(gè)接收器，與ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“一發(fā)多收”沖突，導(dǎo)致429總線的發(fā)送和接收功能失效。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

429總線的內(nèi)回繞設(shè)計(jì)，對(duì)于研發(fā)機(jī)載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品是必要的[5]。正確地設(shè)計(jì)內(nèi)回繞電路，對(duì)后期產(chǎn)品的調(diào)試、測(cè)試等環(huán)節(jié)意義重大。圖3描述了正確的429總線內(nèi)回繞電路設(shè)計(jì)方法，即基于常用的具有1個(gè)發(fā)送通道、2個(gè)接收通道的標(biāo)準(zhǔn)429 IP核，將發(fā)送通道(TX信號(hào))經(jīng)外圍發(fā)送器1驅(qū)動(dòng)后，回繞連接至接收器2，經(jīng)過接收器2驅(qū)動(dòng)后，掛接至同一個(gè)IP核的接收通道1(RX_LBACK信號(hào))；而圖中虛線表示的連接關(guān)系代表有誤的回繞電路設(shè)計(jì)，即將發(fā)送通道回繞連接至已設(shè)計(jì)為接收外部429信號(hào)的接收通道0。對(duì)于由標(biāo)準(zhǔn)429 IP核實(shí)現(xiàn)的429總線發(fā)送和接收功能，回繞通道需要連接至IP核“空閑”的接收通道，連接至已定義接收功能的接收通道在產(chǎn)品處于聯(lián)試環(huán)境中時(shí)會(huì)觸發(fā)429總線故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

ARINC429總線相較1553B、CAN等總線，標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單，連接關(guān)系明了，在各型軍機(jī)、民機(jī)的機(jī)電、航電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，成熟的機(jī)載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的429總線電路中，均有用于做回繞測(cè)試的內(nèi)回繞設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)429總線內(nèi)回繞部分電路時(shí)，若只從方便產(chǎn)品本身自測(cè)試的角度出發(fā)，忽略產(chǎn)品處于測(cè)試、聯(lián)試或應(yīng)用環(huán)境的情形，則會(huì)設(shè)計(jì)出存在故障隱患的內(nèi)回繞電路。錯(cuò)誤的429總線內(nèi)回繞設(shè)計(jì)中，將發(fā)送通道回繞掛接至已用作接收的接收通道，這種設(shè)計(jì)雖然在產(chǎn)品自測(cè)試時(shí)能夠同時(shí)完成發(fā)送通道和接收通道的測(cè)試，但當(dāng)產(chǎn)品連接外部通信設(shè)備時(shí)，會(huì)造成429總線“2發(fā)2收”故障模式，429總線失效。本文給出了一種高效的429總線內(nèi)回繞設(shè)計(jì)方法，即將發(fā)送通道回繞掛接至獨(dú)立的接收通道上，該設(shè)計(jì)既保留了產(chǎn)品429總線自測(cè)試功能，又保證產(chǎn)品在處于測(cè)試、聯(lián)試或應(yīng)用環(huán)境時(shí)429通信功能正常，有效地提高了機(jī)載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品429總線的魯棒性。

圖3 429總線功能電路設(shè)計(jì)