ARINC429總線實驗系統(tǒng)的硬件集成

張彤 楊建新

1.海軍駐四○七廠軍事代表室，河南 洛陽 471039； 2.海軍航空工程學院青島分院，山東 青島 266041

ARINC429總線實驗系統(tǒng)的硬件集成

張彤1楊建新2

1.海軍駐四○七廠軍事代表室，河南 洛陽 471039； 2.海軍航空工程學院青島分院，山東 青島 266041

介紹了ARINC429總線的拓撲結構，分析了ARINC429總線接口模塊的形式選擇，并提出了利用圖論和信息傳輸關系計算所需總線模塊包含發(fā)送器和接收器數(shù)目的方法，給出了m發(fā)n收ARINC429總線模塊適配器的設計方法，以及總線適配器的內(nèi)接和外接擴展方法，以達到最經(jīng)濟、有效地連接實現(xiàn)m發(fā)n收模塊所有可能的拓撲結構的目的。

ARINC429總線；拓撲結構；鄰接矩陣；適配器

ARINC429 Data Bus; Topology; Adjenacy Matrix;Adapter

引言

ARINC429總線協(xié)議是美國航空電子工程委員會于1977年7月提出的航空數(shù)字總線傳輸標準，它規(guī)定了航空電子設計及有關系統(tǒng)間的數(shù)字傳輸要求，現(xiàn)廣泛應用于民用、軍用飛機上。雖然它的傳輸速率比不上M ILSTD-1553B總線，但具有接口方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠的特點，比較適合于對傳輸速率要求不高的場合[1,2]。ARINC429總線是集中式數(shù)字系統(tǒng)結構的典型代表。我國航空工業(yè)參照A R IN C 4 2 9標準頒布實施了航空標準HB6096-86，即《SZ-01數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)》。

在實際教學過程中，ARINC429總線的雙極歸零制編碼和參數(shù)表是教學的重點，AR INC 429總線的拓撲結構是教學的難點，只有通過實驗演示和實作才能獲得比較好的學習效果。因此，如何經(jīng)濟、有效地構建設計ARINC429總線實驗系統(tǒng)，以便提供多種拓撲結構演示和實作就顯得十分重要。

1 ARINC429總線拓撲結構

ARINC429總線是一種單向廣播式串行數(shù)據(jù)總線，傳輸介質為屏蔽雙絞線，傳輸一對差分信號。在一條ARINC429總線上可連接發(fā)送和接收兩種設備，其中發(fā)送設備只能有一個，而接收設備卻可以有多個，其基本拓撲結構如圖1所示。

信息只能從通信設備的發(fā)送器輸出，經(jīng)總線傳輸至與它相連的需要該信息的其他設備的接收器，信息不能反向傳輸至發(fā)送器。如果兩個通信設備間需雙向交換信息，則需要在每個傳輸方向使用一根獨立的傳輸總線。這樣就增加了系統(tǒng)的復雜性，而且由于發(fā)射器的負載能力有限，在一條總線上能被允許連接的接收器不能超過20個。

圖1 ARINC429總線基本拓撲結構

如果存在多種傳輸關系，則構建的總線系統(tǒng)表現(xiàn)為復雜的拓撲結構。圖2為雙總線拓撲結構的總線系統(tǒng)，其中總線1的發(fā)送設備為1，接收設備有3個，即2、3和4；總線2的發(fā)送設備為1，接收設備有5個，即1、5、6、7和8；1與2之間有兩條總線，可以實現(xiàn)相互之間的信息交換。

圖2 雙ARINC429總線拓撲結構示意圖

2 ARINC429總線接口模塊的選擇

2.1 模塊形式的確定

AR INC 429總線接口模塊的形式比較多，如：PC 104、ISA、PC I、PX I、USB等。應根據(jù)所建總線系統(tǒng)的實際情況選擇采購與之相匹配的模塊形式[3-6]。由于USB接口的普遍性和由此所帶來的可攜帶性，實驗系統(tǒng)的ARINC429總線接口模塊選購USB形式。

2.2 信息傳輸關系的有向圖和鄰接矩陣表示

根據(jù)實際系統(tǒng)的信息傳輸關系，可得對應的信息傳輸關系有向圖。有向弧代表信息從源節(jié)點傳輸?shù)侥繕斯?jié)點[7]。圖3為圖2中雙ARINC429總線拓撲結構所對應的有向圖。

圖3 信息傳輸關系圖

依據(jù)信息傳輸關系有向圖，可構建相應的鄰接矩陣A，其元素定義如下：

圖3 信息傳輸關系所對應的鄰接矩陣A為

2.3 發(fā)送器和接收器數(shù)量的計算

AR INC 429總線模塊大多是多發(fā)多收的，應根據(jù)實際系統(tǒng)的具體情況確定所需發(fā)送器和接收器的數(shù)量。

a. 發(fā)送器的數(shù)目

發(fā)送器的數(shù)目即信息源的多少，對應于鄰接矩陣A中的非零行向量的個數(shù)，也就是AR INC 429總線的數(shù)目。

b. 接收器的數(shù)目

由于在一條總線上，發(fā)送器只能有一個，而接收器卻可以有多個。某一發(fā)送器所連接的接收器的數(shù)目等于鄰接矩陣A中發(fā)送器所對應的行向量中的非零元素的個數(shù)，即該節(jié)點的出度。因此，鄰接矩陣A中所有非零元素的個數(shù)即為總線系統(tǒng)所需總的接收器數(shù)目。

3 ARINC429總線適配器的設計

文獻[8]詳細分析了ARINC429總線模塊的拓撲結構譜，并依據(jù)二分法提出了AR INC429總線適配器的設計方案：

式中：m為實驗系統(tǒng)中發(fā)送器的數(shù)目；n為接收器的數(shù)目；ni為各條總線中與接收器相連的端子數(shù)目。

圖4為4發(fā)4收模塊所設計定型的ARINC429總線適配器，其中每條總線多出的一個接收端子可連接示波器，便于觀察波形，方便實驗教學使用。對于每條總線而言，為避免ARINC429總線適配器上接收端與發(fā)送端連接過程中出現(xiàn)混淆，采用針孔防差錯設計，規(guī)定連接發(fā)送設備的插座端子為針，連接接收設備的插座端子為孔，從而避免由于連接錯誤而出現(xiàn)工作不正常的現(xiàn)象。將各個設備的接口統(tǒng)一為兩種接口形式，方便系統(tǒng)的構建。

圖4 4發(fā)4收所對應的總線適配器模塊

4 適配器的擴展應用

實驗中使用4發(fā)4收總線適配器模塊，最多能實現(xiàn)11種可能的拓撲結構?？梢酝ㄟ^適配器內(nèi)部連接或適配器之間的外部連接實現(xiàn)多于4個發(fā)送和接收端口的總線拓撲結構。通過對適配器的擴展應用，使該適配器既可以作為一個單獨的實驗設備進行試驗，也可以作為一個模塊組合使用。

4.1 適配器內(nèi)接串聯(lián)擴展

適配器內(nèi)接串聯(lián)擴展是指在一個適配器上通過串聯(lián)多條總線線路以便實現(xiàn)多于4個接收設備的連接方式。內(nèi)接串聯(lián)時，可實現(xiàn)的總線數(shù)會相應減少。如圖5所示，第二排的發(fā)送端子與第一排的任意接收端子內(nèi)接連接，可實現(xiàn)1發(fā)7收的拓撲結構，但只能實現(xiàn)3條總線。同理，通過多個總線的串接，該適配器最多可實現(xiàn)1發(fā)9收的拓撲結構。

圖5 適配器內(nèi)接串聯(lián)擴展

4.2 適配器外接串聯(lián)擴展

適配器外接串聯(lián)擴展是指在2個或多個適配器之間通過串聯(lián)相應的總線線路以實現(xiàn)多于4個接收設備的連接方式。外接串聯(lián)時，可保證總線數(shù)不變。如圖6所示，將2個適配器的接收端與發(fā)送端對應相連接即可最多實現(xiàn)4發(fā)9收拓撲結構。

圖6 適配器外接串聯(lián)擴展

4.3 適配器混接擴展

適配器混接擴展是指2個或多個適配器通過內(nèi)接串聯(lián)及外接串聯(lián)擴展的復合連接方式。通過對上述2個適配器的混接擴展最多可以實現(xiàn)1發(fā)17收的拓撲結構，基本能夠滿足實驗最大需求。同理，多個適配器組合使用可以實現(xiàn)任意m發(fā)n收拓撲結構。

5 結束語

所設計的ARINC429總線演示系統(tǒng)已成功應用于課堂教學和實驗實做。其中總線適配器具有很強的經(jīng)濟性，且連接方便，形象直觀。通過對單個適配器的內(nèi)部連接和多個適配器的外部連接，在兼顧經(jīng)濟效益與實驗效果的同時，適應了不同拓撲結構的演示和實驗需求，滿足了課程實驗教學的需要，取得了明顯的實驗教學效果，還可應用于工程測試。

[1]支超有．機載數(shù)據(jù)總線技術及其應用[M]．國防工業(yè)出版社.2009

[2]王勇．ARINC429總線接口的設計[D]．西安：空軍工程大學工程學院.1995

[3]唐亮，于海勛，劉利杰，等．基于虛擬儀器的ARINC429總線信號仿真和測試方案[J]．電子產(chǎn)品世界.2007，21(10):132-134

[4]吳季寧．在航空維修測試中使用ARINC429數(shù)字信息傳輸?shù)脑O計與實現(xiàn)[D]．成都：電子科技大學.2 00 5

[5]王燕．基于ARINC429航空數(shù)據(jù)總線的便攜式機載電子設備故障檢測儀的研制[D]．西安：西安科技大學.2 00 4

[6]權巍，王俊杰，邢忠寶．ARINC429總線通訊軟件測試環(huán)境的構建[J]．計算機測量與控制.2008，16(12):20-22

[7] Alan Tucker(美)．應用組合數(shù)學[M]．人民郵電出版社.2009

[8] 楊建新，楊明緒．ARINC429總線適配器的設計[J]．儀器儀表用戶.2010，17(2):48-49.

Hardw are Integration of Experiment System of ARINC429 Data Bus

Zhang Tong1Yang Jianxin2
1 Military Representative Office of Navy in 407, Luoyang, 471039;2 Aeronautical Military Representative Office of Navy in Luoyang, Luoyang, 417009;3 Nava Aeronautical Eng. Institute Qingdao Branch, Qingdao, 266041Qingdao Branch, Navy Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041,China

The topology of ARINC429 Data Bus is introduced,the choice of the interface of ARINC429 module is analyzed, the computing methed of the number of sender and receiver in module is provided by graph theory and the relationship of information transfer,and the method of design of ARINC429 adapter with m senders and n receivers and its expand of internal and external connection are given to implement all possible topology economically and effectively.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.080

張彤（1 9 6 9-），男，河南洛陽人，本科，工程師，主要從事航空火控系統(tǒng)的設計與自動檢測。