ARINC429總線接收器極限參數(shù)測(cè)試方法

付軍立

(北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所， 100095)

ARINC429總線接收器極限參數(shù)測(cè)試方法

付軍立

(北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所， 100095)

ARINC429總線接收器的極限參數(shù)測(cè)試是周期計(jì)量過(guò)程中的一項(xiàng)重要測(cè)試內(nèi)容. 本文提出一種采用單極性非歸零碼生成ARINC429總線數(shù)據(jù)信號(hào)的雙極性歸零碼的仿真方法， 采用碼型信號(hào)發(fā)生器予以實(shí)現(xiàn)， 產(chǎn)生符合ARINC429協(xié)議且波形參數(shù)連續(xù)可調(diào)的總線數(shù)據(jù)信號(hào)， 并對(duì)總線接收器進(jìn)行了位速率、 信號(hào)電平和對(duì)稱度、 邊沿建立時(shí)間和對(duì)稱度的極限參數(shù)測(cè)試試驗(yàn). 極限參數(shù)測(cè)試方法滿足ARINC429總線接收器極限參數(shù)測(cè)試需求.

ARINC429； 總線接收器； 雙極性歸零碼； 總線極限參數(shù)測(cè)試； 總線周期計(jì)量

ARINC429總線是一種研發(fā)早、 目前工程應(yīng)用很好的航空數(shù)據(jù)總線， 以其規(guī)范定義簡(jiǎn)單實(shí)用、 設(shè)計(jì)維護(hù)容易、 研制成本低廉、 電子設(shè)備與航空電子系統(tǒng)兼容性好等優(yōu)勢(shì)， 廣泛應(yīng)用于商務(wù)運(yùn)輸航空領(lǐng)域. ARINC429屬于非集中控制式單工通信總線， 采用雙極性歸零碼進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼， 并通過(guò)雙絞線差分傳輸方式， 作為設(shè)備終端級(jí)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸總線使用. 我國(guó)發(fā)布了與之對(duì)應(yīng)的總線標(biāo)準(zhǔn)HB6096， 用于指導(dǎo)ARINC429總線在國(guó)產(chǎn)民用運(yùn)輸機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用.

總線數(shù)據(jù)信號(hào)的電氣特征參數(shù)受傳輸線的長(zhǎng)度、 支線配置、 總線所帶接收器負(fù)載個(gè)數(shù)及傳輸過(guò)程中噪聲和串模干擾的影響， 導(dǎo)致總線數(shù)據(jù)信號(hào)電器特征變化產(chǎn)生畸變， 總線接收器可接受的數(shù)據(jù)信號(hào)畸變的極限情況， 代表了總線通信終端的數(shù)據(jù)容錯(cuò)能力. 因此， 在ARINC429總線測(cè)試方面， 極限參數(shù)的測(cè)試是一項(xiàng)重要測(cè)試內(nèi)容.

ARINC429總線極限參數(shù)測(cè)試采用能夠產(chǎn)生電氣特征參數(shù)可連續(xù)變化并符合ARINC429規(guī)約要求的總線數(shù)據(jù)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)總線信號(hào)發(fā)生器.

1 標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器

1.1 標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器硬件方案

標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器由控制計(jì)算機(jī)、 碼型信號(hào)發(fā)生器、 外時(shí)鐘同步器和數(shù)據(jù)幀間隔調(diào)節(jié)器組成.

其中碼型信號(hào)發(fā)生器作為總線信號(hào)仿真輸出設(shè)備， 用于模擬ARINC429總線兩個(gè)差分信號(hào)輸出端A端和B端的數(shù)據(jù)信號(hào).

外時(shí)鐘同步器有兩個(gè)作用： 一是為碼型信號(hào)發(fā)生器提供外部參考時(shí)鐘信號(hào)， 以提高碼型信號(hào)發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度； 二是通過(guò)調(diào)節(jié)外時(shí)鐘同步器的時(shí)鐘頻率， 實(shí)現(xiàn)碼型信號(hào)發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)位速率的連續(xù)可調(diào).

數(shù)據(jù)幀間隔調(diào)節(jié)器用于提供外觸發(fā)信號(hào)， 為碼型信號(hào)發(fā)生器提供同步輸出觸發(fā)脈沖， 并通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)幀間隔的連續(xù)可調(diào).

組成設(shè)備的最低技術(shù)要求如表 1 所示.

表 1 ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器設(shè)備要求

1.2 ARINC429總線數(shù)據(jù)信號(hào)

ARINC429總線數(shù)據(jù)信號(hào)采用雙極性歸零碼進(jìn)行編碼， 數(shù)據(jù)波形具有高電平、 零電平、 低電平3個(gè)電平狀態(tài).

圖 2 ARINC429總線數(shù)據(jù)信號(hào)波形圖Fig.2 Waveform diagram of ARINC429 bus data signal

差分傳輸方式下， 總線信號(hào)端口A端和B端的信號(hào)相位相差180°， A端和B端的對(duì)地電平要求是高電平+5 V、 零電平0 V、 低電平-5 V， 進(jìn)行差分(A-B)后形成符合ARINC429協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求的雙極性3電平編碼信號(hào). 一個(gè)數(shù)據(jù)位的前半個(gè)周期為高電平， 后半個(gè)周期為零電平， 表示該位邏輯值為“1”； 一個(gè)數(shù)據(jù)位的前半個(gè)周期為低電平， 后半個(gè)周期為零電平， 表示該位邏輯值為“0”， 如圖 2 所示.

ARINC429數(shù)據(jù)總線協(xié)議規(guī)定一個(gè)數(shù)據(jù)字由32 b組成， 包括5部分： 第1～8 b是標(biāo)志位(Label)， 用于標(biāo)識(shí)傳輸數(shù)據(jù)的信息類型； 第9～10 b是源/目的標(biāo)識(shí)碼(SDI)， 用于判斷在一個(gè)多系統(tǒng)中的源系統(tǒng)； 第11～29 b數(shù)據(jù)組(DATA)， 是有效載荷數(shù)據(jù)； 第30～31 b是符號(hào)/狀態(tài)位(SSM)， 用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)字的特征或數(shù)據(jù)發(fā)生器的狀態(tài)； 第32 b是奇偶校驗(yàn)位(Parity bit， 簡(jiǎn)寫(xiě)為P).

圖 3 ARINC429總線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Frame structure diagram of ARINC429 bus data

1.3 差分雙極性歸零碼編碼仿真

本文采用碼型信號(hào)發(fā)生器的非歸零碼(Non-Return to Zero Code， 簡(jiǎn)稱NRZ碼)碼型發(fā)生功能仿真ARINC429總線的差分雙極性歸零碼編碼.

NRZ碼根據(jù)電平設(shè)置方式不同又可分為NRZ編碼和編碼方式： NRZ編碼方式采用零電平和正向非零電平分別代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)的“0”和“1”； 編碼方式采用負(fù)向非零電平和零電平分別代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)的“0”和“1”.

在仿真生成ARINC429總線數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)， 對(duì)于A端的雙極性歸零碼信號(hào)： 采用NRZ編碼的“1→0”兩個(gè)碼元的躍變表示雙極性歸零碼的邏輯值“1”； 采用編碼的“0→1”兩個(gè)碼元的躍變表示雙極性歸零碼的邏輯值“0”. 對(duì)于B端的雙極性歸零碼信號(hào)： 采用NRZ編碼的“1→0”兩個(gè)碼元的躍變表示雙極性歸零碼的邏輯值“0”； 采用編碼的“0→1”兩個(gè)碼元的躍變表示雙極性歸零碼的邏輯值“1”. 則A端信號(hào)與B端信號(hào)正好反向， 如圖 4， 圖 5 所示. 與圖2所示的A端和B端的雙極性歸零碼數(shù)據(jù)信號(hào)波形一致.

圖 4 A端仿真信號(hào)示意圖Fig.4 Schematic diagram of A terminal simulation signal

圖 5 B端仿真信號(hào)示意圖Fig.5 Schematic diagram of B terminal simulation signal

采用NRZ碼仿真雙極性歸零碼是用兩個(gè)NRZ碼元表示一位ARINC429總線數(shù)據(jù)碼信息， 編碼效率為50%. 此時(shí)， 碼型信號(hào)發(fā)生器的參考時(shí)鐘頻率應(yīng)為ARINC429總線數(shù)據(jù)位速率的2倍， 且一個(gè)完整的ARINC429總線數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為32 bit， 因此要求碼型信號(hào)發(fā)生器的NRZ信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最小為64個(gè)碼元.

數(shù)據(jù)信號(hào)波形參數(shù)調(diào)節(jié)： ① 位速率， 通過(guò)調(diào)節(jié)外時(shí)鐘同步器的時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)， 與位速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為(1 bit/s)/2 Hz； ② 邊沿建立時(shí)間， 通過(guò)調(diào)節(jié)NRZ編碼高/零電平變化和編碼的低/零電平變化的過(guò)渡時(shí)間實(shí)現(xiàn)； ③ 波形幅度， 通過(guò)調(diào)節(jié)NRZ編碼和編碼的高電平和低電平數(shù)值， 實(shí)現(xiàn)組合波形幅度的變化.

2 接收器極限參數(shù)測(cè)試

ARINC429總線接收器極限參數(shù)測(cè)試原理如圖 6 所示.

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器發(fā)送符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)幀信號(hào)： 位速率低速模式下12.5 kbps、 高速模式下100 kbps； 信號(hào)高電平10 V、 零電平0 V、 低電平-10 V； 信號(hào)邊沿建立時(shí)間在低速模式下為10 μs， 在高速模式下1.5 μs. 在進(jìn)行極限參數(shù)測(cè)試時(shí)， 每次只改變其中的一項(xiàng)電氣特性參數(shù).

圖 6 極限參數(shù)校準(zhǔn)原理圖Fig.6 Limit parameter calibration schematic diagram

2.1 位速率極限參數(shù)測(cè)試

測(cè)量總線接收器可有效接收的數(shù)據(jù)信號(hào)位速率變化的極限范圍.

2.1.1 低速工作模式

設(shè)置總線接收器接收位速率12.5 kbps， 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)位速率以12.5 kbps為中點(diǎn)分別減小和增大， 測(cè)得總線接收器可有效接收數(shù)據(jù)位速率的極限變化范圍(12.389～12.575)kbps.

2.1.2 高速工作模式

設(shè)置總線接收器接收位速率100 kbps， 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)位速率以100 kbps為中點(diǎn)分別減小和增大， 測(cè)得總線接收器可有效接收數(shù)據(jù)位速率的極限變化范圍(99.16～100.57)kbps.

從實(shí)際測(cè)量結(jié)果可以看出， 總線接收器對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)位速率的變化十分敏感， 實(shí)際測(cè)量的結(jié)果符合ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于位速率最大允許誤差±1%的技術(shù)要求.

2.2 接收器電平極限測(cè)試

接收器電平是指總線A端與B端的差分信號(hào)電平， 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器的NRZ編碼和編碼的信號(hào)幅度， 實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)電平的連續(xù)變化. 從測(cè)試效果看， (A-B)的高電平和低電平的絕對(duì)數(shù)值越大， 接收效果越好， 由于差分信號(hào)電平過(guò)大， 易導(dǎo)致總線接收器損壞， 因此ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接收器電平的最大極限值為高電平+13 V、 低電平-13 V.

實(shí)際測(cè)得的總線接收器可接收信號(hào)電平的最小值為： 在12.5 kbps位速率下， (A-B)差分信號(hào)的高/低電平為±5.96 V； 在100 kbps位速率下， (A-B)差分信號(hào)的高/低電平為±5.98 V. 可見(jiàn)， 總線接收器接收電平的極限值與數(shù)據(jù)信號(hào)的位速率無(wú)關(guān)； 并且接收器允許的信號(hào)電平最小值低于ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于接收器電平的最低要求(高/低電平±6.5 V).

2.3 接收器電平不對(duì)稱度測(cè)試

調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器的NRZ編碼和編碼的信號(hào)幅度不一致， 使得(A-B)差分信號(hào)的高電平和低電平不對(duì)稱， 如圖 7 所示.

圖 7 總線信號(hào)電平不對(duì)稱波形圖Fig.7 Waveform diagram of bus data with unsymmetrical level

從實(shí)際測(cè)試效果看， ARINC429總線接收器允許總線數(shù)據(jù)信號(hào)的高電平和低電平不對(duì)稱， 但必須同時(shí)滿足不小于本文2.2節(jié)所允許的總線信號(hào)電平最小值的要求.

2.4 邊沿建立時(shí)間極限參數(shù)測(cè)試

總線信號(hào)的邊沿建立時(shí)間包括數(shù)據(jù)位前沿和數(shù)據(jù)位中間的電平跳變沿， 前者是數(shù)據(jù)位的分界點(diǎn)， 是一個(gè)數(shù)據(jù)位的開(kāi)始； 后者是數(shù)據(jù)位中間高/低電平向零電平過(guò)渡的跳變時(shí)間， 同時(shí)作為數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間同步信號(hào).

調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)ARINC429總線信號(hào)發(fā)生器的NRZ編碼和編碼的電平變化時(shí)的過(guò)渡時(shí)間， 實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)(A-B)差分信號(hào)的邊沿建立時(shí)間. 總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邊沿建立時(shí)間為： 12.5 kbps低速模式下10 μs， 100 kbps 高速模式下1.5 μs. 總線接收器分別在低速和高速模式下測(cè)試時(shí)， 邊沿建立時(shí)間越短接收效果越好； 邊沿建立時(shí)間加長(zhǎng)， 并不直接影響接收器的接收， 直至邊沿建立時(shí)間超過(guò)數(shù)據(jù)位周期的1/4， 導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)波形幅度降低至低于本文2.2節(jié)總線信號(hào)電平的最小值， 才會(huì)影響接收器的數(shù)據(jù)接收， 如圖 8 所示.

圖 8 邊沿建立時(shí)間變化波形圖Fig.8 Waveform diagram of edge established time is changing

2.5 邊沿建立時(shí)間不對(duì)稱度測(cè)試

調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)AFDX總線信號(hào)發(fā)生器的邊沿建立時(shí)間， 使其輸出波形的數(shù)據(jù)位前沿和數(shù)據(jù)位中間的電平跳變沿的過(guò)渡時(shí)間不一致， 測(cè)試結(jié)果對(duì)總線接收器的接收沒(méi)有影響.

綜上所述， ARINC429總線數(shù)據(jù)信號(hào)的電氣特性參數(shù)中， 位速率和信號(hào)電平對(duì)總線接收器的影響明顯， 而信號(hào)電平對(duì)稱度、 邊沿建立時(shí)間和邊沿建立時(shí)間對(duì)稱度對(duì)總線接收器的影響基本可以忽略. 這是由于位速率和信號(hào)電平在發(fā)送時(shí)易受發(fā)送器驅(qū)動(dòng)電路性能和傳輸過(guò)程中衰減、 干擾的雙重影響， 從而產(chǎn)生波形畸變， 影響數(shù)據(jù)接收； 而數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸采用差分傳輸方式， 對(duì)于雙極性歸零編碼的正負(fù)向電平、 不同位置邊沿建立時(shí)間的影響是相同的， 基本不影響總線接收器的數(shù)據(jù)接收. 從而保證符合ARINC429標(biāo)準(zhǔn)的總線信號(hào)能夠在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大傳輸距離、 最大信號(hào)畸變和最多負(fù)載等極限條件下的可靠傳輸.

3 結(jié) 論

ARINC429總線接收器極限參數(shù)測(cè)試可有效評(píng)價(jià)總線接收器對(duì)數(shù)據(jù)流信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生畸變的可接受極限情況， 應(yīng)用于總線仿真/測(cè)試設(shè)備的研制及使用維護(hù)過(guò)程中的測(cè)試， 對(duì)ARINC429總線仿真器/測(cè)試儀的產(chǎn)品檢測(cè)具有重要意義.

[1] ARINC429 Mark33數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)[S]. 美國(guó)航空電子工程委員會(huì)， 2001.

[2] HB6096 SZ-01數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)[S]. 北京： 中華人民共和國(guó)航空工業(yè)部， 1986.

[3] 付軍立. AFDX總線10M接口電氣參數(shù)極限適應(yīng)性測(cè)試方法[J]. 測(cè)控技術(shù)， 2015， 34(5)： 45-48.

Fu Junli. The limit adaptive testing method for the electrical parameters of 10M interface of AFDX[J]. Measurement & Control Technology， 2015， 34(5)： 45-48. (in Chinese)

TheLimitParameterTestMethodfortheARINC429BusReceiver

FU Junli

(Beijing Changcheng Institute of Metrology & Measurement， Beijing 100095, China)

The limit parameter test of the ARINC429 bus receiver is an important test content in the periodic metrology. This paper presents a simulation method of bipolar return-to-zero code for generating ARINC429 bus data signal with unipolar non-return-to-zero code. And the method is realized by pattern generator, which generates the bus data signal conforming to standard of ARINC429 protocol ,and the waveform parameters can be adjusted continuously. The limit parameter experiments of the bit rate, signal level and symmetry, edge set-up time and symmetry for the bus receiver were tested. The limit parameter Test Method meets the ARINC429 bus receiver limit parameter test requirements.

ARINC429; bus receiver; bipolar return-to-zero code; limit parameter test; the periodic metrology of bus

1671-7449(2017)06-0519-05

2017-02-06

付軍立(1975-)， 男， 高級(jí)工程師， 碩士， 主要從事航空電子計(jì)量的研究.

V243.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.06.009