一種ARINC825總線通信接口可靠性設(shè)計方法研究

張 鵬，吳曉東，崔海青

(中國民航大學(xué)，天津 300300)

0 引言

近年來，飛機(jī)駕駛艙電子系統(tǒng)正逐步由模擬控制階段向全數(shù)字控制階段轉(zhuǎn)變，功能也有了進(jìn)一步的擴(kuò)展，航空電子設(shè)備間有著更高的數(shù)據(jù)通信和傳輸可靠性的要求［1］。為此，航空電子工程委員會 (AEEC)于2007年編制出版了ARINC 825規(guī)范。ARINC 825規(guī)范基于CAN總線，規(guī)定了子系統(tǒng)間的通信行為，包括尋址機(jī)制、通信機(jī)制、服務(wù)結(jié)構(gòu)以及概要描述，定義了使用CAN的機(jī)載系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，被視為當(dāng)前和未來飛機(jī)的重要數(shù)據(jù)傳輸方式［2］。目前空客公司和波音公司生產(chǎn)的新一代民航客機(jī)已經(jīng)將ARINC825總線作為輔助子系統(tǒng)總線，應(yīng)用于發(fā)動機(jī)控制、飛行控制和駕駛艙控制面板等子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中［3］。

本文以駕駛艙控制面板為例，分析了ARINC825總線的主要特點，結(jié)合駕駛艙控制面板通信要求，使用雙電源供電機(jī)制，設(shè)計了一套具有較高可靠性的雙鏈路冗余的ARINC825通信接口設(shè)備。并通過“時間觸發(fā)總線調(diào)度”技術(shù)對通信接口可靠性進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)分析

1.1 駕駛艙控制面板通信分析

現(xiàn)代飛機(jī)駕駛艙控制面板承擔(dān)著飛行員與飛機(jī)系統(tǒng)間的交互功能?？刂泼姘宓目刂蒲b置種類繁多，既包括傳統(tǒng)的開關(guān)、電位器、鍵盤和光標(biāo)定位器等，又包括現(xiàn)代的觸摸液晶屏和語音控制設(shè)備等。它們控制EFIS、PFD、ND等顯示系統(tǒng)的切換、信息輸入和其他的交互操作［4］。ARINC825總線具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實時響應(yīng)好、體積小、重量輕、通訊速率高及易擴(kuò)展的優(yōu)點［5］，能夠滿足駕駛艙內(nèi)控制面板的通信要求。控制面板產(chǎn)生的交互數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口設(shè)備轉(zhuǎn)換為ARINC825數(shù)據(jù)，發(fā)送到通信總線上;同時要將從ARINC825總線上傳輸過來的數(shù)據(jù)解碼發(fā)給控制面板。駕駛艙控制面板通信接口功能架構(gòu)如圖1所示。

1.2 ARINC825協(xié)議分析

ARINC825協(xié)議是基于CAN總線高層協(xié)議的進(jìn)一步改進(jìn)而成，其電氣特性、傳輸速率等符合ISO－11898標(biāo)準(zhǔn)，通信鏈路由節(jié)點互連的120 Ω屏蔽雙絞線電纜組成。

為了在飛行器上使用 CAN總線，ARINC825對CAN2.0B協(xié)議做了進(jìn)一步修改，ARINC825在CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)層增加了路由、數(shù)據(jù)包和流量控制等功能;在傳輸層增加了邏輯通道，數(shù)據(jù)重傳等功能;在表示層中增加了數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等功能。與原來的CAN總線相比，ARINC825網(wǎng)絡(luò)沒有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的主從節(jié)點之分，所有的節(jié)點具有相同權(quán)限。通過對29位識別符擴(kuò)展幀進(jìn)行重新編碼實現(xiàn)邏輯通信信道(LCC)，函數(shù)標(biāo)識符 (FID)，數(shù)據(jù)對象代碼 (DOC)等的劃分，用于實現(xiàn)節(jié)點尋址和數(shù)據(jù)流控制等功能。還擁有緊急故障檢測機(jī)制，受影響的節(jié)點能自動檢測到故障［6］。

ARINC825協(xié)議除了具有CAN總線傳統(tǒng)的ATM(Anyone－to－Many) 傳輸模式，還具有 PTP(Peer－to－Peer)傳輸模式。ATM通信的優(yōu)勢在于能夠與網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點建立持續(xù)的數(shù)據(jù)鏈接，但是ATM需要處理非自身的數(shù)據(jù)包，增加了接收節(jié)點的工作量。PTP通信允許網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)類似服務(wù)器/客戶端類型的交互。在網(wǎng)絡(luò)中同時實現(xiàn)ATM和PTP兩種通信模式，需要網(wǎng)絡(luò)層具有標(biāo)識和隔離數(shù)據(jù)的能力，ARINC825使用CAN的識別符擴(kuò)展幀的高3位作為邏輯通信通道標(biāo)識，ARINC825的PTP傳輸模式和ATM傳輸模式的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示［7］。

圖2 ARINC825的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

ARINC825總線使用冗余信道標(biāo)識 (RCI)標(biāo)記冗余鏈路或節(jié)點，最多支持四冗余結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的通信接口使用并列式雙冗余總線架構(gòu)。主控芯片選擇STM32F207單片機(jī)，內(nèi)部包含兩個CAN通信模塊，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)底層的通信功能。應(yīng)用層的處理控制算法通過軟件編程實現(xiàn)。通信接口的硬件原理如圖3所示。通信接口通過串口與控制面板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將接收到的數(shù)據(jù)封裝為ARINC825格式的數(shù)據(jù)包，發(fā)送到雙冗余的鏈路上;ARINC825總線上傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼發(fā)給控制面板。通信接口以10 ms為周期，進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)發(fā)送，通信速率為250 kbit/s，用于駕駛艙內(nèi)部電子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，通信距離小于20 m。

2.1 通信接口設(shè)計

圖3 通信接口的硬件原理圖

CAN通信芯片選擇TJA1050，TJA1050是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，可以為總線提供差動發(fā)送功能，為CAN控制器提供差動接收功能。TJA1050完全兼容ISO－11898標(biāo)準(zhǔn)，最高通信速度1Mbps，能夠滿足ARINC825通信標(biāo)準(zhǔn)需要。同時，TJA1050采用SOI技術(shù)降低電磁干擾，有電源短路保護(hù)功能［8］。

在實際應(yīng)用中，有可能發(fā)生輸入端電源不穩(wěn)定或總線浪涌脈沖，會導(dǎo)致電路中存在高頻瞬時干擾，這將會對電路造成很大破壞，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會損壞通信接口，甚至損壞后級電路。對于這種瞬時干擾可以采用隔離的方法加以防護(hù)。其次，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊通常存在很大的地電位差，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就變成了共模噪聲。如果這種噪聲過大，就有可能超過接收器的輸入共模噪聲容限，從而對器件造成損壞。電源隔離模塊采用 BS0505，BS0505是常用的電源隔離模塊，具有效率高、體積小、可靠性高、隔離特性好的特點。使用ADuM1201雙通道數(shù)字隔離器，將CAN通信芯片和單片機(jī)進(jìn)行隔離，這樣即保證沒有回路電流，同時也保證電路的安全性，滿足航電系統(tǒng)的可靠性要求。CAN通信接口原理圖如圖4所示。

圖4 CAN通信接口原理圖

2.2 冗余電源系統(tǒng)設(shè)計

通信接口的電源為了滿足航電系統(tǒng)的可靠性要求，保證電源供電的有效可靠，設(shè)計使用雙電源供電。航電系統(tǒng)一般采用28 V直流供電，單片機(jī)系統(tǒng)使用5 V供電，使用MP1584降壓型轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。MP1584輸出5 V時，有效的電壓輸入是8～28 V。供電電路上串聯(lián)一個47 Ω的限流電阻R保證時電流不會過載?？紤]到在電源切換時要保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，需要保證斷電時供電時間需要大于200 ms，使用電容儲能的方式，保證在電源切換時單片機(jī)正常工作，初始時刻，電容兩端的電壓為28 V，t時刻后，電容兩端電壓Ut為:

需要保證t＞200 ms，Ut＞8 V，可以得出電容C應(yīng)大于339 μF。為保證斷電時供電要求，選擇1 000 μF電容能夠完全滿足要求。

電源切換電路使用光耦繼電器，光耦繼電器能夠快速完成電源切換，幾乎不產(chǎn)生干擾。光耦繼電器最大通過電流為100 mA。通信接口的工作電流最大不會超過150 mA，選用雙光耦繼電器作為電源切換器件，保證系統(tǒng)的正常工作。電源切換電路原理圖如圖5所示。

圖5 電源切換電路原理圖

使用單片機(jī)STM32F207內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換接口，對直流電源進(jìn)行分壓采樣，用于電源電壓監(jiān)控。系統(tǒng)上電后默認(rèn)使用電源1，當(dāng)電源1不能滿足電源質(zhì)量18～30 V的要求時，單片機(jī)控制光耦繼電器使能引腳，電源切換到備用電源2上。

2.3 通信接口的軟件實現(xiàn)

本文使用模塊編程來編寫通信接口軟件程序，包括了輸入輸出模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、故障處理模塊、通信數(shù)據(jù)模塊、CAN通信模塊。輸入輸出模塊用于控制和顯示通信接口的功能狀態(tài);數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊主要對電源和主板狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控;故障處理模塊完成故障判斷和處理功能;通信數(shù)據(jù)模塊功能是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和對CAN通信協(xié)議的高層進(jìn)行修改，使其滿足ARINC825協(xié)議。

在系統(tǒng)工作之前的主要進(jìn)行功能初始化，對使用的端口進(jìn)行寄存器配置并使能，需要完成的配置有GPIO離散量定義、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換定義、UART串口通信初始化、ARINC825通信協(xié)議設(shè)定、CAN通信初始化、系統(tǒng)時鐘初始化和中斷配置。完成系統(tǒng)初始化后，對主、副電源進(jìn)行檢測，如果主電源不滿足18－30V的電壓要求，系統(tǒng)自動切換到備用電源。

2.3.1 ARINC825信息的冗余發(fā)送

控制面板的控制器對面板上的操作進(jìn)行處理，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ沤涌?，通信接口對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)送到ARINC825總線上。

進(jìn)行串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ARINC825總線數(shù)據(jù)時，需要定義一個狀態(tài)機(jī)用于接收處理字符串?dāng)?shù)據(jù)。如圖6所示，狀態(tài)機(jī)默認(rèn)狀態(tài)是Finished，當(dāng)接收到起始標(biāo)志“*”，狀態(tài)機(jī)狀態(tài)變?yōu)镚etHeader，當(dāng)處在GetHeader狀態(tài)時，如果接收到結(jié)束標(biāo)志“#”就會進(jìn)入SAVE_WORKING狀態(tài);SAVE_WORKING狀態(tài)會將緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)存到數(shù)組變量中當(dāng)，處理完成后，狀態(tài)機(jī)狀態(tài)變?yōu)镕inished。數(shù)組變量中的數(shù)據(jù)即是待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。通信數(shù)據(jù)模塊為待發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行SN序列號填充，填充組裝完成的數(shù)據(jù)幀會在兩條相互冗余的鏈路上同時進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)幀的 SN序列號由0遞增到255，之后再從0開始計數(shù)。接收端再接收到數(shù)據(jù)幀時，會檢測SN序列號，對相同SN序列號的數(shù)據(jù)幀會進(jìn)行去冗余操作，同時也能夠檢測出傳輸過程中丟幀錯誤。

圖6 串口數(shù)據(jù)接收狀態(tài)機(jī)

2.3.2 ARINC825信息的冗余接收

ARINC825總線在接收數(shù)據(jù)時，需要對并聯(lián)雙冗余通信鏈路上接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行SN序列號的檢查，對出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾。主控芯片的任意一個CAN模塊在接收完一幀數(shù)據(jù)后，會觸發(fā)通信處理中斷。通信時，當(dāng)一路CAN總線通信中斷被觸發(fā)，中斷處理程序開始讀取數(shù)據(jù)包，首先會對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗，如果數(shù)據(jù)完整，通過SN序列號判斷是否在冗余通道上收到過此數(shù)據(jù)，如果不存在，則說明是有效幀，將SN序列號記錄到內(nèi)存當(dāng)中。如果存在，說明此數(shù)據(jù)幀是冗余數(shù)據(jù)，對有效載荷內(nèi)的數(shù)據(jù)做一致性檢測，不通過，則丟棄當(dāng)前幀。數(shù)據(jù)接收的程序框圖如圖7所示。

圖7 ARINC825數(shù)據(jù)接收程序框圖

3 負(fù)載分析和測試

3.1 總線負(fù)載分析

為了對總線節(jié)點進(jìn)行傳輸控制，ARINC825使用“時間觸發(fā)總線調(diào)度”技術(shù)。時間觸發(fā)總線控制基于兩個概念，即主時間幀 (Major Time Frame)和次時間幀 (Minor Time Frame)。主時間幀為總線中所有的周期性消息至少傳輸一次的時間長度，次時間幀 (Minor Time Frame)為總線中傳輸頻率最大的幀的周期。同一時間幀內(nèi)的數(shù)據(jù)幀采用多主競爭發(fā)送。只要控制總線中各個節(jié)點在次時間幀中的數(shù)據(jù)發(fā)送，就可以保證總線節(jié)點間通信的確定性［9］。計算總線負(fù)載時，需要選取一個時間片段進(jìn)行分析，使用時間間隔最小的次時間幀作TransmissionInterval進(jìn)行計算分析，能夠得出最大的總線負(fù)載。ARINC 825基于CAN2.0B通信協(xié)議，使用了29位標(biāo)識符擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)幀長度與有效載荷有關(guān)，計算公式如下:

在計算數(shù)據(jù)幀長度時需要考慮填充位，其計算公式如下:

有效載荷與數(shù)據(jù)幀長度的計算結(jié)果如表1所示。

總線負(fù)載計算公式如下:

表1 數(shù)據(jù)幀長度計算值

NumMessages指此時間段內(nèi)的消息幀傳輸次數(shù)。TransmissionInterval指所選時間段的時間長度。DataRate指總線傳輸速率，單位bit/s?？偩€負(fù)載計算公式僅用于周期性消息幀的負(fù)載計算，非周期性消息幀的負(fù)載計算需要先將其等效轉(zhuǎn)換為周期性消息，再進(jìn)行計算［10］。

圖8 時間觸發(fā)總線調(diào)度機(jī)制的時序原理圖

如圖8所示，本文設(shè)計的通信接口需要每10 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)幀的傳輸，設(shè)計的通信速率為250kbit/s。總線上同時會有4個ARINC825節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用短幀結(jié)構(gòu)，有效載荷為8 bit。總線負(fù)載使用公式 (4)進(jìn)行計算得:

ARINC825協(xié)議的最大帶寬利用率在理想的情況下可以達(dá)到80%以上，考慮到事件消息和錯誤幀可能需要額外的總線帶寬，設(shè)計時應(yīng)預(yù)留一部分總線帶寬，建議的總線負(fù)載不超過50%［11］。本文設(shè)計的總線接口速率完全能夠滿足通信要求，如果需要擴(kuò)展節(jié)點數(shù)量，此設(shè)計下最大的節(jié)點數(shù)量不應(yīng)該超過8個。如果有更多的節(jié)點需求，就需選擇更高的總線通信速率或者進(jìn)行節(jié)點分網(wǎng)。

3.2 通信接口的驗證

選用4個通信接口設(shè)備組成4節(jié)點ARINC825通信網(wǎng)絡(luò)組成驗證平臺，將測試用控制面板接入通信接口模塊上，使用28 V直流電源為系統(tǒng)供電。使用CAN網(wǎng)絡(luò)分析儀接收ARINC825網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，通過USB連接到計算機(jī)的上位機(jī)，監(jiān)視通信數(shù)據(jù)。測試用的控制面板為按鍵鍵盤，按下相應(yīng)的按鍵，會觸發(fā)控制面板的按鍵中斷，通過串口將按下的鍵位發(fā)送給通信接口模塊，通信接口將位置編碼到ARINC825數(shù)據(jù)包的有效載荷內(nèi)，通過計算機(jī)上位機(jī)觀察是否接收到相應(yīng)的指令，驗證ARINC825通信接口是否正常工作。實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 測試接收數(shù)據(jù)

實驗選取其中幀ID為0833045數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，上位機(jī)軟件能夠定時接收到此設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，在按下測試用控制面板的相應(yīng)按鍵后，上位機(jī)軟件立即接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。通過比較每個數(shù)據(jù)幀之前SN序列號，依次為連續(xù)遞增，表示數(shù)據(jù)沒有發(fā)生丟失。

導(dǎo)出捕獲的ARINC825網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計時間標(biāo)識，計算每個數(shù)據(jù)幀的時間間隔，如表2所示。

表2 時間標(biāo)識與時間間隔

通過統(tǒng)計計算1000個數(shù)據(jù)幀的時間間隔，得出平均時間間隔為9.6 ms，數(shù)據(jù)幀的時間間隔波動是由于ARINC825總線存在多個發(fā)送節(jié)點，節(jié)點間存在總線競爭，當(dāng)總線被其他節(jié)點占用時，此設(shè)備會自動競爭下一個總線使用權(quán)限，通過“時間觸發(fā)總線調(diào)度”機(jī)制可以保證10 ms的周期發(fā)送要求。

4 結(jié)束語

本文基于ARINC825協(xié)議設(shè)計一套雙冗余的通信接口設(shè)備，使用冗余供電，數(shù)據(jù)冗余收發(fā)保證設(shè)備的可靠性。通過“時間觸發(fā)總線調(diào)度”技術(shù)進(jìn)行傳輸控制，保證總線負(fù)載不超過設(shè)計值。通過實驗表明設(shè)計的通信接口設(shè)備能夠滿足駕駛艙控制面板通信。對于ARINC825總線技術(shù)應(yīng)用于駕駛艙控制面板間的數(shù)據(jù)通信具有實際意義。