郭 鑫,薛昭洋,陳 奎,王山虎,於二軍
(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所,陜西 西安 710068)
ARINC429通信總線是航空電子技術(shù)中,一類穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)總線形式,其依據(jù)ARINC429規(guī)范,規(guī)定了航空電子設備(系統(tǒng))間的數(shù)字信息傳輸要求。國內(nèi)外多種機型中,將ARINC429總線,聯(lián)同1553B、CAN、AFDX等總線,作為機上主要的通信總線[1]。
ARINC429總線是基于數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)(Digital Information Transfer System,DITS)規(guī)范的數(shù)據(jù)總線,在民用航空通信領域應用廣泛[2]。ARINC429總線具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾性強、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點[3]。連接方式上,串行ARINC429總線標準規(guī)定,429總線以差分輸出的平衡方式工作,為面向接口型的單向廣播式傳輸總線。ARINC429總線標準還規(guī)定,429總線上只允許有1個發(fā)送器,但可以有最多20個接收器;數(shù)據(jù)采用雙絞屏蔽線進行異步傳輸。電平特征上,429總線采用雙極性歸零碼的三態(tài)調(diào)制編碼方式,調(diào)制信號有“高”、“零”、“低”三種電平狀態(tài)。傳輸速率方面,429總線可配置成高速(100 kHz)、低速(12.5 kHz)兩種模式。傳輸協(xié)議方面,429總線在物理層上,1個數(shù)據(jù)包包含32位數(shù)據(jù),具體的數(shù)據(jù)格式定義如圖1所示。
圖1 ARINC429規(guī)范數(shù)據(jù)格式
圖1中,bit31表示高位,bit0表示低位,Parity指奇偶校驗(ARINC429總線標準使用奇校驗),SSM表示信號/狀態(tài)矩陣,用于描述某次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)性質(zhì),DATA表示數(shù)據(jù),SDI表示數(shù)據(jù)起源/目的地,LABEL域表示數(shù)據(jù)類型,不同數(shù)據(jù)類型指代飛機上不同的子系統(tǒng)。傳輸時,按照LABEL→SDI→DATA→SSM→Parity的順序,其中LABEL域先傳輸高位再傳輸?shù)臀?,DATA域先傳輸?shù)臀辉賯鬏敻呶?,故接收方接收?29字時,需要對LABEL域進行逆序處理。
機載計算機ARINC429總線電路設計中,通過FPGA的IP核實現(xiàn)ARINC429收/發(fā)協(xié)議,外圍再搭配對應的驅(qū)動芯片,完成429收/發(fā)通道,為常見的設計方式。圖2中,F(xiàn)PGA選用K7系列,發(fā)送、接收驅(qū)動芯片分別為HI-8596和HI-8591。同時,為了實時監(jiān)控總線狀態(tài)及總線上的數(shù)據(jù)傳輸,也為了提高429總線的測試性,通常會在計算機內(nèi)部進行回繞設計,將發(fā)送通道回繞連接至接收通道。對于由FPGA IP核實現(xiàn)的429總線發(fā)送通道和接收通道,由于FPGA管腳電氣特性為TTL電平,故429總線的發(fā)送通道和接收通道分別需由專用發(fā)送器和接收器驅(qū)動至總線[4],如圖2所示。設計429總線內(nèi)回繞電路時,若只站在計算機本身的角度考慮,脫離計算機應用環(huán)境,則設計人員通常會將發(fā)送通道的差分信號線回繞掛接至429功能電路內(nèi)的某個接收器上。這種設計,在計算機電路級調(diào)試、測試階段,可以巧妙地同時完成429功能電路發(fā)送通道和接收通道的測試,但在計算機實際應用中,以連接測試設備進行測試為例,會引發(fā)故障,故障機理如圖2所示。
圖2 故障模型
圖2中,虛線表示機載計算機429總線通過零歐電阻R實現(xiàn)的內(nèi)回繞設計。整體來看,由于不合適的內(nèi)回繞設計,當計算機連接外部設備時,該條429總線引入了2個發(fā)送器和2個接收器,與ARINC429總線標準中規(guī)定的“一發(fā)多收”沖突,導致429總線的發(fā)送和接收功能失效。
429總線的內(nèi)回繞設計,對于研發(fā)機載計算機產(chǎn)品是必要的[5]。正確地設計內(nèi)回繞電路,對后期產(chǎn)品的調(diào)試、測試等環(huán)節(jié)意義重大。圖3描述了正確的429總線內(nèi)回繞電路設計方法,即基于常用的具有1個發(fā)送通道、2個接收通道的標準429 IP核,將發(fā)送通道(TX信號)經(jīng)外圍發(fā)送器1驅(qū)動后,回繞連接至接收器2,經(jīng)過接收器2驅(qū)動后,掛接至同一個IP核的接收通道1(RX_LBACK信號);而圖中虛線表示的連接關系代表有誤的回繞電路設計,即將發(fā)送通道回繞連接至已設計為接收外部429信號的接收通道0。對于由標準429 IP核實現(xiàn)的429總線發(fā)送和接收功能,回繞通道需要連接至IP核“空閑”的接收通道,連接至已定義接收功能的接收通道在產(chǎn)品處于聯(lián)試環(huán)境中時會觸發(fā)429總線故障。
ARINC429總線相較1553B、CAN等總線,標準簡單,連接關系明了,在各型軍機、民機的機電、航電系統(tǒng)中得到了廣泛應用。目前,成熟的機載計算機產(chǎn)品的429總線電路中,均有用于做回繞測試的內(nèi)回繞設計。在設計429總線內(nèi)回繞部分電路時,若只從方便產(chǎn)品本身自測試的角度出發(fā),忽略產(chǎn)品處于測試、聯(lián)試或應用環(huán)境的情形,則會設計出存在故障隱患的內(nèi)回繞電路。錯誤的429總線內(nèi)回繞設計中,將發(fā)送通道回繞掛接至已用作接收的接收通道,這種設計雖然在產(chǎn)品自測試時能夠同時完成發(fā)送通道和接收通道的測試,但當產(chǎn)品連接外部通信設備時,會造成429總線“2發(fā)2收”故障模式,429總線失效。本文給出了一種高效的429總線內(nèi)回繞設計方法,即將發(fā)送通道回繞掛接至獨立的接收通道上,該設計既保留了產(chǎn)品429總線自測試功能,又保證產(chǎn)品在處于測試、聯(lián)試或應用環(huán)境時429通信功能正常,有效地提高了機載計算機產(chǎn)品429總線的魯棒性。
圖3 429總線功能電路設計