基于ARINC429總線的某型機載設(shè)備便攜式檢測設(shè)備

周勝明，趙育良

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

基于ARINC429總線的某型機載設(shè)備便攜式檢測設(shè)備

周勝明，趙育良

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

針對特定某種機載設(shè)備ARINC429總線通信狀態(tài)的監(jiān)測需求，設(shè)計了一種便攜式檢測設(shè)備。為了減小體積與重量，達到設(shè)計目標要求，該系統(tǒng)以PC/104嵌入式工業(yè)控制計算機結(jié)合ZHHK429-PC104-Plus429通信板卡為核心實現(xiàn)。文章描述了系統(tǒng)硬件的組成及原理，分析了軟件結(jié)構(gòu)及板卡的初始化、總線數(shù)據(jù)接收及發(fā)送的方法。經(jīng)測試，該系統(tǒng)實時性好，可靠性高，可有效滿足特定機載設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及維護的需要。

ARINC429總線；總線監(jiān)測；機載設(shè)備

特設(shè)專業(yè)某型機載設(shè)備采用ARINC429總線數(shù)據(jù)端口[1-2]實現(xiàn)與上位機的通信，一方面接收并執(zhí)行上位機的操作指令，另一方面回報機載設(shè)備的工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)對機載設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，分析其總線數(shù)據(jù)，掌握機載設(shè)備的工作過程，實現(xiàn)故障定位并及時排除等，對該機載設(shè)備的ARINC429總線數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送及實時采集與分析顯得尤為重要。為了減小體積達到便攜，并提高實時性，提出了一種基于PC/104嵌入式工業(yè)控制計算機及其ARINC429接口卡的便攜式檢測設(shè)備，該設(shè)備通過預(yù)置的機載設(shè)備總線數(shù)據(jù)協(xié)議，可實現(xiàn)設(shè)備端口的實時通訊，發(fā)送信息及指令的同時，采集設(shè)備故障信息，為航空機載特種設(shè)備的日常使用與維護提供一種更加高效快捷的輔助手段。

1 系統(tǒng)需求分析

為增強對機載特種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的適應(yīng)性和實時性，該系統(tǒng)需掛接在總線的某一端與特定的機載電子設(shè)備相連，完成指令和信息的發(fā)送與采集。地勤維護人員通過查看發(fā)送和采集的特定數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)置的協(xié)議和控制指令，判斷相應(yīng)機載設(shè)備的狀態(tài)，得到相應(yīng)的故障信息及處置方法。該系統(tǒng)需具備以下功能：

1）形成符合ARINC429總線數(shù)據(jù)規(guī)范的通信機制；

2）根據(jù)被測設(shè)備選定預(yù)置的機載電子設(shè)備，并模擬仿真各機載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信；

3）發(fā)送數(shù)據(jù)的手動修改、自動編碼及顯示；

4）接收數(shù)據(jù)的解析與顯示；

5）控制字的在線修改；

6）通過對總線數(shù)據(jù)綜合分析，顯示機載設(shè)備狀態(tài)及故障信息，并提供故障排除方法；

7）系統(tǒng)自檢。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 ARINC429航空總線簡介

ARINC429總線采用雙絞屏蔽線作為傳輸介質(zhì)，數(shù)據(jù)采用雙極性歸零碼調(diào)制，ARINC429總線數(shù)據(jù)傳輸采用廣播傳輸原理，按開環(huán)進行傳輸，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾性強，最大的優(yōu)勢在于可靠性高，我國與之對應(yīng)的標準是HB6096-SZ-01[3]。ARINC429總線協(xié)議標準規(guī)定了總線不僅可以完成數(shù)據(jù)信息的多路傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息的共享，而且還能減輕系統(tǒng)的重量，并保證所有連接到總線上的分系統(tǒng)能使用一致的數(shù)據(jù)庫，最大限度地實現(xiàn)了資源的交互性。ARINC429總線有2種傳輸速率：一種為低速的12.5 kbit/s[4]，一種為高速的 100 kbit/s[5]。

2.2 ARINC429總線數(shù)據(jù)字格式

ARINC429總線所傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)由32位組成，字與字之間加上4位零電平靜寂間隔時間。由32位組成的數(shù)據(jù)字通常包括5個部分：奇偶校驗位、標志位、符號/狀態(tài)位、數(shù)據(jù)位及源/目的標識碼，見圖1。

如果ARINC429總線需要進行數(shù)據(jù)字的發(fā)送，其發(fā)送次序依次為：標志位、源/目的識別位、數(shù)據(jù)位、符號/狀態(tài)位、奇偶校驗位。其中，標志位的數(shù)據(jù)字發(fā)送順序與其它位不同，它是由高位到低位。

2.3 ARINC429總線數(shù)據(jù)電氣特性

由于ARINC429總線采用一對雙絞屏蔽線作為通信介質(zhì)且單向信息傳輸，所以在信息傳輸?shù)倪^程中幾乎不存在信息失真。在使用時，電纜線的端點需做屏蔽接地處理。ARINC429總線采用雙極性歸零碼編碼的工作方式進行數(shù)據(jù)調(diào)制及傳輸，其調(diào)制電平信號有3 種：“HI”（高電平）、“L0”（低電平）、“NULL”（零電平），信號電壓范圍在-5 V到+5 V之間。

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了達到便攜的設(shè)計要求，系統(tǒng)采用自制機箱，以PC104-Plus標準的嵌入式工控計算機為核心構(gòu)建，利用ZHHK429-PC104-Plus板卡，輔以10英寸工業(yè)級觸控彩色顯示屏及鍵盤鼠標等輸入設(shè)備，構(gòu)成了一款結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的ARINC429總線的便攜式仿真與采集儀。系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗小，可更好地滿足便攜式裝置設(shè)備體積及重量需求。利用ZHHK429-PC104-Plus板卡，按照航空標準HB 6096-86規(guī)范要求實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的收發(fā)。ZHHK429-PC104-Plus板卡采用的是雙通道ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送和接收卡[6]，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，板卡采用PC104-Plus接口，提供標準的DLL，支持多語言開發(fā)平臺。板卡使用前，需要通過跳線手動配置基地址。

系統(tǒng)將接口卡的每個通道分別作為ARINC429總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的模擬輸入及輸出端口，利用特定的適配器，按照預(yù)置的通訊協(xié)議采用屏蔽雙絞電纜，實現(xiàn)對機載特種設(shè)備的指令數(shù)據(jù)的模擬輸入及工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息的查詢。由于不同的機載電子設(shè)備具有不同的通訊協(xié)議及硬件接口，故配合系統(tǒng)軟件設(shè)計，系統(tǒng)還根據(jù)不同設(shè)備的特點，設(shè)計了特定的適配電纜，以滿足多型設(shè)備總線數(shù)據(jù)發(fā)送、采集及故障診斷的需要。系統(tǒng)硬件原理圖如圖3所示。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1）軟件總體情況。系統(tǒng)軟件駐留在PC/104嵌入式工業(yè)控制計算機固態(tài)存儲盤中，為用戶提供一個人機交互的程序界面[7-9]。該系統(tǒng)選用以VC++為開臺結(jié)合ACCESS數(shù)據(jù)庫根據(jù)特定機載電子設(shè)備的通訊協(xié)議定制相應(yīng)的發(fā)送及回收總線數(shù)據(jù)進行開發(fā)。

系統(tǒng)通過預(yù)置開放式的ACCESS數(shù)據(jù)庫，內(nèi)置了該型機載設(shè)備的總線通信協(xié)議及參數(shù)，啟動并自動加載設(shè)備信息，根據(jù)需要配置控制指令，即可讀取相關(guān)設(shè)備的通訊協(xié)議、通訊速率等參數(shù)，自動完成與相關(guān)機載設(shè)備的實時數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動進行分析，利用故障代碼進行故障診斷，并顯示數(shù)據(jù)結(jié)果，實現(xiàn)對特定機載設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)還可利用數(shù)據(jù)庫中預(yù)置的故障查詢系統(tǒng)，檢索并顯示故障信息及排除方法，指導(dǎo)地勤人員進行適當?shù)奶幚怼?/p>

系統(tǒng)軟件主要由2大功能模塊組成：系統(tǒng)應(yīng)用軟件及系統(tǒng)管理軟件。系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要實現(xiàn)通信系統(tǒng)的上層管理、設(shè)置及數(shù)據(jù)收發(fā)和消息的解析，如初始化、參數(shù)設(shè)置、通道選擇、數(shù)據(jù)收發(fā)和測試結(jié)果分析及顯示等。通過系統(tǒng)仿真ARINC429總線數(shù)據(jù)在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸過程及通信機制，獲取并分析系統(tǒng)內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)傳輸流程，實現(xiàn)對機載設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與分析。軟件采用對話框形式，利用列表框顯示設(shè)備信息、總線數(shù)據(jù)信息，為了便于測試，用戶亦可通過下拉列框調(diào)用數(shù)據(jù)庫中預(yù)置的機載設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息進行人為的二次定制；系統(tǒng)管理軟件主要實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及檢測記錄的管理，通過該系統(tǒng)可隨時定制新的通訊檢測設(shè)備數(shù)據(jù)及故障信息，并可對以往操作

2）ARINC429總線數(shù)據(jù)仿真發(fā)送與接收。系統(tǒng)利用4通道的ZHHK429-PC104-Plus板卡實現(xiàn)對總線數(shù)據(jù)模擬，利用特定的適配電纜，與相關(guān)機載設(shè)備交聯(lián)，通過工控機主程序，設(shè)置ARINC429數(shù)據(jù)，通過軟件編、解碼后，利用PC104板卡轉(zhuǎn)換成雙極歸零信號，實現(xiàn)ARINC429總線數(shù)據(jù)的發(fā)送與采集。[10-13]

ZHHK429-PC104-Plus板卡驅(qū)動程序提供了豐富的接口函數(shù)，涵蓋了ARINC429總線數(shù)據(jù)收發(fā)所有的基本操作，能滿足用戶對板上的操作需求，板卡具有良好的系統(tǒng)兼容性，能夠適用多種不同的編程環(huán)境。ZHHK429-PC104-Plus板卡驅(qū)動程序接口函數(shù)按照ANSIC標準編寫，以動態(tài)鏈接庫DLL的形式提供給用戶。在軟件的開發(fā)過程中，需引用ARINC429.dll及相應(yīng)的頭文件ARINC429.h。

以下是429配置字結(jié)構(gòu)：

其中，Cfg_BaudCounter是發(fā)送波特率設(shè)置；Cfg_ParityEnable是發(fā)送奇偶校驗使能；Cfg_Parity-Mode是奇偶校驗?zāi)Ｊ竭x擇；Cfg_BusOrderEnable是發(fā)送通道選擇“總線上按數(shù)據(jù)原始順位發(fā)送”、“總線上按數(shù)據(jù)編碼順位發(fā)送”。

以下是板卡句柄結(jié)構(gòu)：

系統(tǒng)通過提供的ARINC429_Open、ARINC429_Reset、RX_Configure、TX_Configure等接口函數(shù)實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的模擬收發(fā)。按照板卡的收發(fā)流程，首先要對其進行初始化，見圖4。

對于指定通道的數(shù)據(jù)接收，板卡提供了查詢與中斷2種方式。為了保證對機載設(shè)備數(shù)據(jù)接收的實時性，板卡總線數(shù)據(jù)接收采用中斷的方式進行，并將接收結(jié)果送入數(shù)據(jù)分析模塊進行數(shù)據(jù)分析及結(jié)果顯示，其流程如圖5所示。

對于總線數(shù)據(jù)的發(fā)送，板卡提供了正常發(fā)送、字定時發(fā)送和幀定時發(fā)送3種模式，鑒于機載設(shè)備對于總線數(shù)據(jù)接收的要求，本系統(tǒng)采用正常發(fā)送模式，其流程如如圖6所示。

3）ARINC429總線數(shù)據(jù)的解析。系統(tǒng)按照用戶特定機載設(shè)備的通訊協(xié)議，發(fā)送指令并按預(yù)置的協(xié)議標號對數(shù)據(jù)進行接收，每完成一個周期的數(shù)據(jù)接收，便將數(shù)據(jù)記錄并解析，同時進行下一周期的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。數(shù)據(jù)解析是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該功能完成對特定機載設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控及分析。數(shù)據(jù)解析的依據(jù)是從數(shù)據(jù)庫中提取的協(xié)議，通過數(shù)據(jù)標號及特定數(shù)據(jù)的總線協(xié)議對數(shù)據(jù)位的定義，分析該數(shù)據(jù)所反應(yīng)的具體信息。其具體步驟如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試與分析

為確保系統(tǒng)的實時性與可靠性，對采集儀進行了平臺自測試及機上對接測試[14-18]。平臺自測試是利用定時器捕捉平臺發(fā)送的預(yù)置數(shù)據(jù)完成的，經(jīng)測試，采集儀輸出波形的電平大小、頻率幅度、碼值大小及字間隔等均符合ARINC429協(xié)議規(guī)范；機上對接測試是通過與該型機載設(shè)備聯(lián)機測試完成的，經(jīng)測試系統(tǒng)能夠按照預(yù)置協(xié)議，準確完成向該設(shè)備經(jīng)緯度、航向、橫滾、俯仰角等總線數(shù)據(jù)及相關(guān)控制指令的發(fā)送，亦可實時接收該設(shè)備故障代碼并解析顯示，可較好地完成相應(yīng)機載設(shè)備的實時狀態(tài)監(jiān)控。

4 結(jié)論

ARINC429作為機載設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的航空總線，其數(shù)據(jù)的仿真發(fā)送與接收對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控意義重大，較之傳統(tǒng)的單片機、工控機結(jié)合PCI板卡等形式的便攜式監(jiān)控設(shè)備，本系統(tǒng)采用以PC/104嵌入式工業(yè)控制計算機為核心的設(shè)計思路，使得設(shè)備的體積更小、重量更輕，可更好地滿足部隊轉(zhuǎn)場及機上測試需要。經(jīng)測試，其適應(yīng)性、實時性和可靠性均能較好的滿足部隊使用需求，目前該設(shè)備也已配發(fā)部隊，發(fā)揮了重要作用。

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Portable Detection Equipment of an Airborne Equipment Based on ARINC429 Bus

ZHOU Shengming,ZHAO Yuliang
（Qingdao Branch,NAAU,Qingdao Shandong 266041,China）

According to the monitoring requirements of the airborne equipments bus state,a portable detection equipment was designed.In order to reduce the volume and weight,the PC104 and ZHHK429-PC104-Plus card was used as the core of the system.The hardware structure and theory was described,the software structure and initialization of the card,receiving and sending of the bus data was analyzed.After testing,the system had good real-time,high reliability,could meet the requirements of the airborne equipments bus interface testing and needs.

ARINC429 bus;bus monitoring;airborne equipments

TP336

A

1673-1522（2017）03-0302-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.03.009

2017-03-21；

2017-05-21

周勝明（1962-），男，教授，碩士。