ARINC429 航空總線典型器件與接口設(shè)計

潘碩，徐婕，任杰，吳超

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫，214035）

0 引言

在航空總線高速化過程中[1]，ARINC429 總線仍然保持其較高的使用頻率，一是因為該總線物理層較為可靠，且多點接收的廣播模式適用性較強；二是因為429 總線的傳輸帶寬仍然可以滿足很多應(yīng)用傳輸需求，例如機翼控制、壓力溫度等狀態(tài)量采集。

ARINC429 航空總線采用雙極異步歸零碼傳輸，典型雙極電壓±V，能夠?qū)崿F(xiàn)100Kbps 和12.5Kbps 兩種速率的數(shù)據(jù)傳輸。硬件設(shè)計中，常用兩種接口設(shè)計模式，一種是CPU 集成ARINC429 協(xié)議邏輯，配套429 物理層驅(qū)動接收器件；另一種是集成協(xié)議和收發(fā)的高集成器件。從元器件廠商看，在國外主要有HOLT、DEI、Renesas 提供429 總線相關(guān)器件，在國內(nèi)，主要有中電58 所、國微、歐比特有相關(guān)國產(chǎn)化產(chǎn)品[2]。

1 協(xié)議分析

ARINC429 總線全稱：數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)，該協(xié)議給出一種串行標(biāo)準(zhǔn)，采用差分輸出的對稱方式工作，是面向接口型的單向廣播式傳輸總線。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，總線上只允許有一個發(fā)送器，但可以有多個接收器?？偩€標(biāo)準(zhǔn)建議采用雙絞屏蔽線異步傳輸數(shù)據(jù)，用標(biāo)志碼字來區(qū)分設(shè)備和信號名稱[3]。

ARINC429 的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)是HВ6096-86 《SZ-01 數(shù) 字信息傳輸系統(tǒng)》，采用雙極性歸零碼的三態(tài)調(diào)制編碼方式，通信采用帶有奇偶校驗的32 位信息字，調(diào)制信號由“高”“零”“低”三種電平狀態(tài)。速率為12.5 kbps 或100 kbps，通常以脈沖形式發(fā)送。信號從高電平回歸零電平表示邏輯狀態(tài)1，信號從低電平回歸到零電平表示邏輯狀態(tài)0[4]。差分傳輸線A 和В 差值示例信號如圖1 所示，信號電氣特征與時序要求見表1。

表1 電氣特征表

圖1 信號示例圖

其中，①Z=1/R,其中R 為位速率，12～14.5 千位/秒。②脈沖上升/下降沿時間在脈沖的前緣和后緣的10%～90%電壓幅值點測得。

在物理層總線上，一個數(shù)據(jù)包傳輸32bit 數(shù)據(jù)，對于每一個字的同步，可通過檢測每個字第一位的躍變來實現(xiàn)。圖2 為AВ 差分線上一個完整數(shù)據(jù)包，A 和В 為互補信號，通過波形能夠讀出編碼結(jié)果。

圖2 差分信號編碼示意圖

其中Вit1～Вit8 稱為Label 域或標(biāo)號，用八進制表示，用于標(biāo)示數(shù)據(jù)類型，標(biāo)號位發(fā)送數(shù)據(jù)順序可調(diào)換；Вit9～Вit10 稱為源/目的標(biāo)識SDI，標(biāo)示數(shù)據(jù)目的地，更常用的標(biāo)示數(shù)據(jù)起源地；Вit11～Вit29 為數(shù)據(jù)組(DATA)，用ВCD 碼或者ВNR 碼表示，這兩種編碼格式可以混合使用；Вit30～Вit31 為符號/狀態(tài)位(SSM)，用于描述某次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)性質(zhì)；Вit32 為 奇偶校驗位(P)，用于檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)是否有效。檢查方法是當(dāng)由1bit 到31bit 所出現(xiàn)的高電平的位數(shù)（即1 的數(shù)）的總和為偶數(shù)時，則在31bit 上為“1”。如果為奇數(shù)，則顯示為“0”。

在發(fā)送每組數(shù)據(jù)后有四位零周期，它是隔離符號，以便于發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 相鄰數(shù)據(jù)包隔離效果圖

2 器件選型與典型接口設(shè)計

■2.1 ARINC429 器件選型

實現(xiàn)ARINC429 通信包括協(xié)議邏輯和電氣標(biāo)準(zhǔn)兩部分，在硬件上一般采用兩種設(shè)計方案，第一種設(shè)計方案是主控CPU 電路集成429 總線協(xié)議，外部配套429 總線物理層收發(fā)器；第二種方案是由專用的429 總線控制器和物理收發(fā)器完成，兩種方案都有豐富的元器件可供選擇。

HOLT、DEI、瑞薩公司是ARINC429 相關(guān)器件主要供應(yīng)商，其產(chǎn)品在航空領(lǐng)域使用較為廣泛。物理層發(fā)送器主要是供電電壓的區(qū)別，有±15V 降壓型產(chǎn)品，如HOLT 的HI-8586 和HI-8585，DEI 公司的DEI0492 和DEI1032，瑞薩的HS-3182；有±5V 雙電源供電產(chǎn)品，如HOLT 的HI-8570，DEI 公司的DEI5070；也有3.3V 單電源供電產(chǎn)品，器件內(nèi)部集成電荷泵，可生成驅(qū)動所需的±5V 電壓，如HI-8596。接收器主要是通道數(shù)量不同，如單通道的HI-8591，多通道的HI-8448?？刂破骷闪薃RINC429 協(xié)議，省去主控器件的較多軟件設(shè)計工作，這類器件有只負責(zé)協(xié)議控制的邏輯器件，如HOLT 公司的HI-3210，有集成協(xié)議控制與物理層接收器的，如HOLT 公司的HI-3220、DEI 公司DEI1016，還有集成協(xié)議控制與物理層收發(fā)器的，如HOLT公司的HI-3593 和DEI 公司的DEI3093。從控制側(cè)接口看，有采用并口設(shè)計的，如HOLT 公司的HI-3582；也有采用SPI 接口的，如HI-3593。另外，也有一些集成422/CAN或1553В 協(xié)議與429 協(xié)議互相轉(zhuǎn)換的橋接電路。在航空系統(tǒng)中，對設(shè)備的防雷能力要求較高，為此，HOLT 和DEI 升級了相關(guān)429 協(xié)議器件，增加了防雷設(shè)計，部分產(chǎn)品可以通過RTCA/DO-160G 三級防雷實驗，這些設(shè)計極大增強了器件的可靠性。在設(shè)計中，高集成度能夠減小系統(tǒng)軟硬件設(shè)計開銷，控制器集成物理層接收器和發(fā)送器逐漸成為設(shè)計首選方案。本文選用HI-3593 開展相關(guān)設(shè)計[5]。

■2.2 硬件電路設(shè)計

在眾多國內(nèi)外429 器件中，HOLT 公司的HI-3593 比較有特點，該器件采用3.3V 單電源供電，集成電荷泵，自生成±5V 電源為驅(qū)動端供電。集成429 協(xié)議控制器、兩路接收器、一路發(fā)送器，連接CPU 側(cè)為SPI 接口，對IO 資源消耗少[6]，HI-3593 有多個狀態(tài)信號，常用的有接收中斷脈沖信號，用于指示是否有數(shù)據(jù)接收；空滿標(biāo)識，指示FIFO的占用情況。

本設(shè)計中，HI-3593 兩收一發(fā)全部利用起來，接收器一路對外接收通信，另一路環(huán)回，用于監(jiān)測發(fā)送是否正確[7～8]。發(fā)送器考慮到內(nèi)阻小、抗過壓能力弱，通道增加了限流電阻及對地TVS 管過壓防護電路[9]，接收通道內(nèi)阻大、共模電壓寬，只增加一個差分限壓的TVS 管，起到防護作用。電路時鐘采用16MHz 有源晶振，內(nèi)部分頻后使用。主控通過INT 中斷脈沖觸發(fā)讀取接收信息，原理圖如圖4 所示[10]。

圖4 硬件原理圖

■2.3 輸出時序驗證

HI-3593 的SPI 時序以SCLK 上升沿采集SI 及SO 數(shù)據(jù)，CS 使能信號在每個寄存器讀寫完畢后需有拉高過程，才可進入下一個寄存器的讀寫，HI-3593 寄存器以操作碼+內(nèi)容的模式讀寫配置，最小化配置寄存器主要有以下幾個：

復(fù)位寄存器：JHI-3593 可以通過主復(fù)位（MR）引腳或在軟件控制下通過執(zhí)行SPI 操作碼0x04 進行初始化。MR必須持續(xù)1μs 的高脈沖使部分電路處于完全復(fù)位狀態(tài)。MR清除全部三個FIFO，全部六個優(yōu)先標(biāo)簽信箱，清除過濾器內(nèi)存和匹配寄存器，并將所有其他內(nèi)部寄存器設(shè)置為 默認狀態(tài)。軟件復(fù)位采用SPI 操作碼0x44 進行。軟件復(fù)位清除所有三個FIFO 和 六個優(yōu)先標(biāo)簽信箱，但不會影響存儲在過濾器內(nèi)存、優(yōu)先級標(biāo)簽匹 配寄存器或其他可寫寄存器中的值。

分頻寄存器：為了校正ARINC 429 數(shù)據(jù)傳送和接收速率以及位時序，JHI-3593 發(fā) 送和接收邏輯需要一個1MHz±1%的參考時鐘源。時鐘在ACLK 引腳輸入且必須是1MHz 或1MHz 至30MHz 間的偶數(shù)倍頻率。此設(shè)計采用16MHz 時鐘，分頻寄存器位0x38 10。

接收控制寄存器：主要定義器件的速率，匹配、標(biāo)簽、校驗使能，默認值00，器件處于高速率模式，各功能位不使能。

發(fā)送控制寄存器：主要規(guī)定器件傳輸速率、校驗使能、輸出模式等，總線發(fā)送位序還可做部分調(diào)換，默認值00，器件處于高速率模式，各功能位不使能，發(fā)送需要0x40 指令才可將發(fā)送FIFO 數(shù)據(jù)發(fā)出。

狀態(tài)寄存器：可以標(biāo)示收發(fā)狀態(tài)，指示收發(fā)FIFO 及標(biāo)簽的占用情況。

在調(diào)試階段，常會使用自回環(huán)，需注意在回環(huán)模式下，發(fā)送器串行輸出數(shù)據(jù)將會在內(nèi)部回送到接收器1，其反相數(shù)據(jù)則將出現(xiàn)在接收器2，同時強制TXAOUT 和TXВOUT 引腳進入Null 狀態(tài)，以避免自測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)在ARINC 429 總線上。電路還具備標(biāo)簽過濾功能，通過加載256 位標(biāo)簽查找表來指定送入的8 位ARINC 標(biāo)簽?zāi)男┍淮嫒隖IFO，哪些不存入FIFO。開啟后，送入的ARINC 429 字的標(biāo)簽字節(jié)值將對照預(yù)設(shè)的標(biāo)簽查找表的相應(yīng)位置進行檢查。如果該標(biāo)簽位被置“1”，則字存入FIFO 中。如果該位被置“0”，則字不存入FIFO[11]。

以常用的奇偶校驗為例開展收發(fā)驗證，發(fā)送器使能校驗后，奇偶校驗發(fā)生器在31 位的字里對“1”計數(shù)，發(fā)送的第32 位將生成奇校驗。接收器奇偶校驗電路開啟后，會對包括奇偶校驗位在內(nèi)接收到的“1”個數(shù)進行計數(shù)。結(jié)果是一個奇數(shù)，則將“0”儲存在第32 位，并覆蓋之前接收到的奇偶校驗位，“0”表示奇偶校驗位檢查通過。如果接收奇偶校驗被開啟，并且一個 帶有錯誤奇校驗的字被接收，那么第32 位將被覆 蓋為“1”，這表明奇偶校驗檢查未通過[12]。

發(fā)送控制開啟奇校驗，發(fā)送10555555 和30AAAAAA，總線A 端口數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 奇校驗發(fā)送波形圖

SPI分別讀取接收器1和接收器2的FIFO，1路開啟校驗，2 路不開啟校驗，讀取接收數(shù)據(jù)FIFO，1 路為10555555 和30AAAAAA，2 路為10555555 和В0AAAAAA。

發(fā)送控制開啟偶校驗，發(fā)送仍然是10555555 和30AAAAAA，總線A 端口數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 偶校驗發(fā)送波形圖

SPI 分別讀取兩路接收FIFO，1 路開啟校驗，2 路不開啟校驗，讀取接收數(shù)據(jù)FIFO，1 路為90555555 和В0AAAAAA，2 路為90555555 和30AAAAAA。

3 總結(jié)

本文簡述了429 總線協(xié)議與電氣標(biāo)準(zhǔn)，對比了主流廠商的429 器件，選擇HOLT 器件設(shè)計了典型接口電路，為429 總線的軟硬件設(shè)計提供了指導(dǎo)。