樊智勇,魏士皓,崔海青

(1.中國民航大學工程技術(shù)訓練中心，天津 300300;2.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300)

1 引言

隨著航空領(lǐng)域計算機及通信技術(shù)的發(fā)展，航空電子設(shè)備由原來的局部獨立系統(tǒng)逐漸走向了綜合化和一體化。由于飛機各種復雜功能的實現(xiàn)需要不同航空電子設(shè)備間相互協(xié)作，因此設(shè)備之間數(shù)據(jù)高效率和可靠傳輸變得異常重要[1]。航空總線是航電設(shè)備之間信息傳輸與共享的通道，是航電系統(tǒng)之間進行信息傳輸?shù)闹匾浇?，是實現(xiàn)航電設(shè)備綜合化的基礎(chǔ)[2]。ARINC429作為一種廣泛應用于民航客機的航空數(shù)據(jù)總線，它詳細說明了系統(tǒng)規(guī)范中所定義的電氣和電子接口，將飛機的各系統(tǒng)通過雙絞線互連起來，定義了航電系統(tǒng)之間以及航電與非航電系統(tǒng)之間的接口和傳輸數(shù)據(jù)的格式[3]。

在實際航電設(shè)備的檢測與維護中，要重點考慮被檢測設(shè)備和ARINC429總線間的接口是否存在問題[4]，但是采集到的ARINC429數(shù)據(jù)是32位二進制總線數(shù)據(jù)，不能直觀地反映系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)的變化。工程人員需要根據(jù)接口控制文件ICD(Interface Control Document)逐個查詢并將采集到的二進制數(shù)換算為系統(tǒng)參數(shù)。而目前ICD都是基于文檔，以表格和段落注釋的方式進行描述，翻閱查詢都十分不便，且增加了系統(tǒng)調(diào)試的時間，這與總線測試需要快速準確地分析數(shù)據(jù)，以便及時定位并排除故障產(chǎn)生了矛盾。因此，如何才能簡化文檔管理，高效、準確地利用ICD對航電系統(tǒng)進行測試成為了航空總線測試領(lǐng)域研究的熱點[2]。

許多學者對ICD進行了研究并提出了不同的ARINC429數(shù)據(jù)描述方法。文獻[5]提出了將ARINC429數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型打斷、拆分，使用數(shù)據(jù)類型與位定義描述的方法；文獻[6]在對嵌入式軟件進行測試時，將ARINC429數(shù)據(jù)以類的形式直接寫在程序中；文獻[7]則將ICD文件轉(zhuǎn)換成文本形式，獨立于測試軟件。本文在前人研究的基礎(chǔ)上再結(jié)合實際需求，提出基于樹形結(jié)構(gòu)的ARINC429數(shù)據(jù)描述方法，并基于可擴展標記語言XML(eXtensible Markup Language)建立了相應的解碼庫。該解碼庫使用同一種描述規(guī)范對ARINC429數(shù)據(jù)進行完整描述，能夠很方便地使用程序進行解碼，并且解碼庫獨立于測試軟件，實現(xiàn)了測試軟件與解碼庫的分離，便于后期修改與移植。

2 ARINC429規(guī)范特征分析及樹形結(jié)構(gòu)建模

ICD定義了航電系統(tǒng)之間的接口關(guān)系，十分龐雜。它定義了一整套總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)的控制邏輯，信號類型和方向，傳輸速度，參數(shù)名稱、意義和單位，最大值和最小值，分辨率，最大/小傳輸間隔，比例關(guān)系，編碼形式，故障代碼等各種信息[8]。本文基于“ARINC SPECIFICATION 429 PART 1-17”分析了ARINC429規(guī)范并對其數(shù)據(jù)特征進行了提取。

樹的概念在計算機中隨處可見，對樹結(jié)構(gòu)的檢索只需要進行一次搜索就可以完成遍歷，當根節(jié)點確定了，樹中任意兩點間的關(guān)系也唯一確定了。為了方便對樹形結(jié)構(gòu)進行處理，研究人員提出了許多專門針對樹的算法，也通過樹形結(jié)構(gòu)解決了數(shù)據(jù)儲存和程序調(diào)用問題。因此，本文利用樹形結(jié)構(gòu)來設(shè)計ARINC429解碼庫，并將ICD映射為樹形結(jié)構(gòu)。由于ICD包含了一整套總線數(shù)據(jù)的定義，本文設(shè)計了一套合理的描述規(guī)范，不僅包含信號類型、傳輸速度、參數(shù)名稱和信號單位等各種在仿真測試中有用的信息，而且還方便工程人員查閱。

2.1 ARINC429數(shù)據(jù)字分析及樹形結(jié)構(gòu)規(guī)則制定

本文基于“ARINC SPECIFICATION 429 PART 1-17”對ARINC429數(shù)據(jù)進行分析。標準的32位ARINC429數(shù)據(jù)字被分為標志位(LABEL)、源/目的識別碼(SDI)、數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)、符號狀態(tài)矩陣(SSM)和奇偶校驗位(PARITY)5個部分，如表1所示。

Table 1 Typical dataword format of ARINC429

(1) ARINC429規(guī)范對傳輸?shù)拿恳粋€數(shù)據(jù)字都規(guī)定了LABEL號來識別其數(shù)據(jù)類型和相關(guān)參數(shù)。標號采用八進制編碼，將1～8位分成3組，代表八進制數(shù)0～377。每個ARINC429數(shù)據(jù)字都有自己的LABEL號，因此LABEL號可以作為數(shù)據(jù)檢索標記，用來定位數(shù)據(jù)位置。下面給出樹形結(jié)構(gòu)規(guī)則1：

規(guī)則1樹形結(jié)構(gòu)的根元素定義為“ARINC429”，標志位定義為樹形結(jié)構(gòu)根元素的子元素，記作“LABEL”，并為其添加屬性“LABEL ID”，用來存放LABEL號。

(2) 雖然每個數(shù)據(jù)字都有自己的LABEL號，但是一個LABEL號可能包含多種不同編碼方式，一種編碼方式又可能適用于多個設(shè)備，如圖1所示。因此，只用LABEL號無法對數(shù)據(jù)進行準確定位，還需要配合其他參數(shù)進行數(shù)據(jù)定位。下面給出樹形結(jié)構(gòu)規(guī)則2：

規(guī)則2為LABEL元素定義子元素，包含該LABEL號下所有的編碼方式，記作“Code”，為編碼方式“Code”添加子元素——“設(shè)備”，記作“Equipment”。

Figure 1 Relationship between LABEL and encoding mode圖1 LABEL與編碼方式的關(guān)系

考慮到采用同一種編碼方式的ARINC429數(shù)據(jù)字的傳輸速率、最小傳輸間隔和最大傳輸間隔是一致的，于是為“Code”元素添加屬性“Speed”“MinInterval”和“MaxInterval”,分別用于表示傳輸速度、最小傳輸間隔和最大傳輸間隔。并為“Equipment”添加屬性——“Equipment ID”，用來記錄設(shè)備號。

(3)ARINC429規(guī)范將一個數(shù)據(jù)字分為5個部分，但是其中數(shù)據(jù)區(qū)可能包含多種數(shù)據(jù)類型或空閑位，因此除了按照ARINC429規(guī)范中給定的分割方式外還需要對數(shù)據(jù)區(qū)進一步分割。數(shù)據(jù)區(qū)按照數(shù)據(jù)類型(也可看作是按照不同的參數(shù))可以被劃分為多個部分，每個部分被稱為一個數(shù)據(jù)塊，用“Parameter”表示?！癙arameter”中包含多種用來描述該數(shù)據(jù)塊信息的屬性。下面給出樹形結(jié)構(gòu)規(guī)則3：

規(guī)則3為元素“Code”添加子元素——參數(shù)，記作“Parameter”并添加名稱、數(shù)據(jù)類型(包括BNR(Binary NumbeR)、DIS(DIScrete)和BCD(Binary-Coded Decimal))、數(shù)據(jù)起始位與結(jié)束位、單位和分辨率等屬性。

補充：增加數(shù)據(jù)類型BCD3。如圖2所示的LABEL號“031”、設(shè)備號“020”的“Beacon Transponder Code”，該數(shù)據(jù)的18～29位不是標準的BCD數(shù)據(jù)，這里不是用4位二進制數(shù)表示而是用3位二進制數(shù)表示1位BCD數(shù)據(jù)。為了方便起見把該類型命名為一個新的數(shù)據(jù)類型——BCD3。

Figure 2 Data section of Beacon Transponder Code圖2 Beacon Transponder Code數(shù)據(jù)區(qū)

(4) ARINC429數(shù)據(jù)在按照數(shù)據(jù)類型進行解碼之后得到的數(shù)據(jù)不一定有真實的物理含義，還需要根據(jù)分辨率或者基值等進行調(diào)整。例如，甚高頻全向信標頻率字“VOR/ILS Frequency”，如圖3所示，LABEL號為“034”，設(shè)備號為“002”。

Figure 3 Data section of VOR/ILS Frequency圖3 VOR/ILS Frequency 數(shù)據(jù)區(qū)

對圖3直接進行解碼，得到的數(shù)據(jù)為9.3 MHz，已知甚高頻全向信標的頻率范圍為108.00～117.95 MHz，很明顯解得的數(shù)據(jù)不正確。這是由于甚高頻全向信標的頻率需要精確到小數(shù)點后2位，如果要完整表示甚高頻全向信標的頻率需要5位BCD類型的數(shù)據(jù)，而每個BCD類型的數(shù)據(jù)需要4位二進制來表示，因此數(shù)據(jù)區(qū)需要20位才能精確到小數(shù)點后2位，這已經(jīng)超出了數(shù)據(jù)區(qū)的長度，很顯然用1個ARINC429數(shù)據(jù)字無法表示?？紤]到甚高頻全向信標的頻率都大于100，所以利用ARINC429數(shù)據(jù)進行傳輸時不傳輸百位數(shù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)范圍縮小為8.00～17.95 MHz，這樣就可以用1個ARINC429數(shù)據(jù)字來表示該數(shù)據(jù)。所以,直接解碼得到的數(shù)據(jù)需要進行數(shù)據(jù)還原才能得到真實的物理含義，下面給出樹形結(jié)構(gòu)規(guī)則4：

規(guī)則4為“Parameter”添加屬性——基值(調(diào)整數(shù))和分辨率，分別記作“Adjustment”和“Resolution”，用來對數(shù)據(jù)進行還原。

(5) 除了以上情況之外仍然有一些數(shù)據(jù)值較大，單獨使用1個ARINC429數(shù)據(jù)字無法完整表示的數(shù)據(jù)，必須要使用多個ARINC429數(shù)據(jù)字進行聯(lián)合解碼才能得到其完整的釋義。因此，在利用樹形結(jié)構(gòu)進行表述時需要明確指出當前數(shù)據(jù)需要幾個數(shù)據(jù)字聯(lián)合解碼，當前數(shù)據(jù)字是第幾個。下面給出樹形結(jié)構(gòu)規(guī)則5：

規(guī)則5為“Code”添加屬性——成員個數(shù)，記作“Index”，用來描述解碼所需的ARINC429數(shù)據(jù)字個數(shù)以及當前數(shù)據(jù)字所處的位置。

使用一個分數(shù)的形式來表示Index信息，分母表示聯(lián)合解碼需要的數(shù)據(jù)字個數(shù)，分子表示當前數(shù)據(jù)字所處的位置。在對數(shù)據(jù)解碼時先判斷是否需要聯(lián)合解碼，例如若當前ARINC429數(shù)據(jù)字的“Index”值為“2/3”，則表示需要3個ARINC429數(shù)據(jù)字才能描述當前數(shù)據(jù)的完整含義，并且當前ARINC429數(shù)據(jù)字為聯(lián)合解碼數(shù)據(jù)字中的第2個；當只需要1個ARINC429數(shù)據(jù)字就可以完整表示當前數(shù)據(jù)時,“Index”屬性的值為“1/1”，也可以簡寫為“1”。

2.2 ARINC429樹形結(jié)構(gòu)描述規(guī)范整體結(jié)構(gòu)

2.1節(jié)基于“ARINC SPECIFICATION 429 PART 1-17”文件對ARINC429數(shù)據(jù)進行了分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)特點定義了5條規(guī)則。本文使用這些規(guī)則建立了樹形結(jié)構(gòu)的描述規(guī)范。描述規(guī)范的整體結(jié)構(gòu)圖及釋義分別如圖4和表2所示。通過圖4可以很明顯地看出其樹形結(jié)構(gòu)以及解碼所需的必要信息。

Figure 4 Representation rule structure of ARINC429 based on XML tree structure圖4 基于XML樹形結(jié)構(gòu)的ARINC429描述規(guī)范結(jié)構(gòu)圖

Table 2 Description specification of ARINC429 based on XML tree structure

3 基于XML的ARINC429總線解碼庫的實現(xiàn)

3.1 使用XML語言的優(yōu)勢及實現(xiàn)

XML是一種標記性、半結(jié)構(gòu)化語言[9]，存儲數(shù)據(jù)具有內(nèi)容與樣式分離的特點，使用時只需關(guān)心數(shù)據(jù)本身的含義，不需要考慮如何處理數(shù)據(jù)樣式[10]，可以對數(shù)據(jù)進行標記、對數(shù)據(jù)類型進行定義以使其具有結(jié)構(gòu)性[11]。XML文檔能夠表示為有序的樹結(jié)構(gòu)。在XML樹中，內(nèi)部節(jié)點表示元素或者屬性，葉節(jié)點表示元素或?qū)傩缘闹?，邊表示元素子元素、元素值和屬性值等結(jié)構(gòu)關(guān)系[12]。

XML提供一個跨平臺機制，不僅能夠完整清晰地表達數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，方便對數(shù)據(jù)進行管理、儲存和溝通；而且還具有適應性強、靈活性高、擴展性好、語義性強、結(jié)構(gòu)性強、格式簡單、具備自描述性、獨立性和支持豐富的數(shù)據(jù)類型等特點[13,14]。XML作為一種數(shù)據(jù)交換格式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容與形式的分離，可以根據(jù)實際需求建立有復雜層次的數(shù)據(jù)模型，并能夠保持嚴密的規(guī)范使之具有較高的可讀性。XML還可以很方便地對各種不同類型的數(shù)據(jù)進行描述，便于對數(shù)據(jù)進行整合和處理，能夠提升數(shù)據(jù)管理效率[15]?；谝陨蟽?yōu)勢，XML在許多領(lǐng)域得到了廣泛應用，具有良好的可靠性與互操作性[16]。因此，XML對于大型的復雜文檔是一種較為理想的語言。

基于XML使用STDU XML Editor Portable建立的ARINC429總線數(shù)據(jù)解碼庫如圖5所示。

Figure 5 Example of ARINC429 decoding library in XML format圖5 XML格式的ARINC429解碼庫示例

3.2 基于XML的解碼庫解碼算法

基于XML建立的ARINC429總線數(shù)據(jù)解碼庫需要配套的解碼軟件進行解碼。解碼軟件對采集到的ARINC429數(shù)據(jù)字解碼并展示當前數(shù)據(jù)字具體參數(shù)的含義，這樣工程人員能夠直觀地看到系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)的變化，進而縮短系統(tǒng)調(diào)試時間。解碼軟件和解碼數(shù)據(jù)庫在仿真測試平臺中的位置如圖6所示。

Figure 6 Position of decoding software in simulation platform圖6 解碼軟件在仿真平臺中的位置

在ARINC429規(guī)范中，以BNR、BCD和DIS共3種數(shù)據(jù)類型組合而成的數(shù)據(jù)字最為常見。在對ARINC429數(shù)據(jù)字進行解碼時，首先按照數(shù)據(jù)塊Parameter的大小對ARINC429數(shù)據(jù)字進行分割，然后根據(jù)XML文件中的“DataType”屬性獲取當前數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型執(zhí)行相應的子函數(shù)進行解碼。其中，離散型數(shù)據(jù)利用一個二進制位來表示，諸如開關(guān)的斷開與閉合之類的狀態(tài)量，比較簡單不再做詳細介紹，本文主要說明BNR和BCD類型的解碼。

3.2.1 BNR數(shù)據(jù)類型的解碼

BNR是二進制編碼,解碼時首先需要將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進制；然后根據(jù)“SigBits”獲取BNR數(shù)據(jù)的起始位與終止位；接著判斷符號位，若符號位為正則直接進行加權(quán)求和，反之需要先將有效位的二進制碼取補碼(即反碼加一)，對補碼進行加權(quán)求和。

計算公式如式(1)所示：

(1)

其中，i表示當前二進制數(shù)的位置，即第幾位；L表示二進制數(shù)的總位數(shù)減1；Ei表示當前二進制數(shù)的值。

3.2.2 BCD數(shù)據(jù)類型的解碼

BCD碼是二進制編碼的十進制數(shù)，即用二進制數(shù)來表示十進制數(shù)。首先根據(jù)“SigBits”獲取BCD數(shù)據(jù)的起始位與終止位；然后通過移位再相與的方式取出特定的部分；最后將取出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。

計算公式如式(2)所示：

(2)

其中，i表示當前BCD數(shù)的位置,即第幾位；L表示BCD數(shù)的總位數(shù)減1；Bi表示當前BCD數(shù)轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)值。

3.2.3 數(shù)據(jù)還原

為了獲取數(shù)據(jù)真實的物理含義，需要使用之前定義的調(diào)整數(shù)“Adjustment”和分辨率“Resolution”對數(shù)據(jù)進行還原，先用分辨率“Resolution”進行比例調(diào)整，再用調(diào)整數(shù)“Adjustment”進行基值調(diào)整。

計算公式如式(3)所示：

Dacc=Value×Res+Adj

(3)

其中，Dacc表示精確值；Value表示直接解碼得到的數(shù)據(jù)；Res表示分辨率；Adj表示調(diào)整數(shù)。

以圖2所示的甚高頻全向信標頻率字為例進行解碼,如式(4)所示：

100×0+101×3+102×9+103×0=930 MHz

(4)

由于甚高頻全向信標頻率字的分辨率為0.01 MHz，調(diào)整數(shù)為100，因此精確值如式(5)所示：

Dacc=Value×Res+Adj=

930×0.01+100=109.3 MHz

(5)

4 實驗結(jié)果及分析

將建立的XML解碼庫接入到某型國產(chǎn)飛機航電系統(tǒng)通信導航半實物仿真平臺上對本文提出的描述進行驗證。該平臺主要仿真部分通信和導航組件的輸入輸出接口特性，包含HF(High Frequency)、VHF(Very High Frequency)、NAV(NAVigation)、DME(Distance Measuring Equipment)、GPS(Global Positioning System)5類10個組件的接口仿真，具體表現(xiàn)為VHF4000、HF9301A、DME4000和NAV4000系列組件的邏輯功能仿真以及符合 ARINC429標準的電氣接口仿真。仿真平臺從數(shù)據(jù)采集板卡接收組件的ARINC429數(shù)據(jù)字，按照組件工作邏輯完成數(shù)據(jù)字的解碼和轉(zhuǎn)譯，然后根據(jù)組件功能邏輯在對應的ARINC429輸出接口上輸出數(shù)據(jù)。

以該型飛機航電系統(tǒng)通信導航半實物仿真平臺中DME的動態(tài)仿真為例，在進行總線數(shù)據(jù)測試時，通過編寫的程序調(diào)用XML格式的解碼庫查找該數(shù)據(jù)并進行解析。解碼結(jié)果如圖7所示。

Figure 7 Dynamic simulation interface of DME in simulation platform圖7 仿真平臺中DME的動態(tài)仿真界面

由圖7可知，DME仿真組件的“Tune Port A”接收到的ARINC429數(shù)據(jù)字為0x060001B8，查找相應的DME頻率數(shù)據(jù)字定義可知，解析結(jié)果應為：

DME頻率：118.00 MHz；

NAV模式：VOR；

DME模式：Standby Off。

仿真平臺解析得到的結(jié)果與預期結(jié)果一致。

為了驗證該解碼庫的普適性，對該平臺采集到的所有數(shù)據(jù)進行測試。經(jīng)測試，仿真平臺中的5類10個仿真組件共32路數(shù)據(jù)都可以正確地對ARINC429數(shù)據(jù)字進行解碼，這表明基于XML建立的ARINC429數(shù)據(jù)解碼庫能夠?qū)诫娤到y(tǒng)通信導航半實物仿真平臺采集到的數(shù)據(jù)進行正確解碼。

利用這種方法進行總線測試時，工程人員不需要翻閱查詢ICD就可以快速獲取到直觀的測試數(shù)據(jù)，縮短了故障定位時間。通過對比在半實物仿真平臺中使用基于XML建立解碼庫的方式與原系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)寫入到程序中的方式，前者具有以下優(yōu)勢：

(1) 實現(xiàn)了測試軟件與數(shù)據(jù)庫的分離。編碼庫與測試軟件相互獨立，測試軟件中不直接包含編碼庫，而是以調(diào)用的方式進行使用。還可以方便地修改解碼庫中編碼的定義，無需再修改軟件代碼和重新編譯。

(2) 降低了軟件維護的工作量。相同的數(shù)據(jù)類型具有相同的解碼算法，可以使用同一個解碼子函數(shù)進行解碼，與將ICD中的數(shù)據(jù)直接寫入到程序中相比減少了代碼量。

(3) XML具有良好的跨平臺性，為后期系統(tǒng)的擴展性以及數(shù)據(jù)庫的移植提供了便利。

5 結(jié)束語

本文基于ARINC429規(guī)范中的“MARK 33 DIGITAL INFORMATION TRANSFER SYSTEM (DITS) PART 1”文件分析了ARINC429編碼的一般類型，提出了使用樹形結(jié)構(gòu)的ARINC429數(shù)據(jù)映射方法，并基于XML的樹形結(jié)構(gòu)與相關(guān)ICD文件建立了ARINC429數(shù)據(jù)的解碼庫。該解碼庫保留了數(shù)據(jù)的原結(jié)構(gòu)，能夠使用一個節(jié)點對數(shù)據(jù)進行完整描述；而且該解碼庫獨立于仿真測試軟件，采用調(diào)用解碼庫的方式進行解碼，相較于之前將數(shù)據(jù)定義寫入解碼程序中的方式，該描述方法實現(xiàn)了編碼庫與編程語言、開發(fā)平臺的分離，因此不需要修改解碼程序就能夠方便地對數(shù)據(jù)的定義進行增減刪改，統(tǒng)一的描述規(guī)則使得解碼程序可以復用，降低了編解碼代碼總量，大大降低了維護難度，且具有高度可移植性。