基于HI-3593的ARINC429總線數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)計

楊慶華，高夢贊，屠曉偉

(上海大學機電工程與自動化學院,上海 200444)

0 引言

目前，航空綜合測試平臺向著綜合化、模塊化、通用化、智能化方向發(fā)展。在A320、B737、ARJ21、C919等機型中，ARINC429總線應用位置眾多。當前，針對ARINC429總線數(shù)據(jù)收發(fā)的裝置設(shè)計主要分為以下三類：基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate arrcly,FPGA)的多功能ARINC429總線接口，實現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)收發(fā)[1-2]；面向儀器的外圍組件互連(peripheral component interconnction,PCI)擴展(PCI extensions for instrumentation,PXI)板卡的ARINC429總線數(shù)據(jù)收發(fā)單元[3-5]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；基于集成ARINC429總線協(xié)議芯片實現(xiàn)總線信息收發(fā)[6-7]。本文采用HI-3593集成協(xié)議芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，采用USB協(xié)議和網(wǎng)絡通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，采用近端和遠端同步監(jiān)控模式，更加便捷地進行工廠化調(diào)試分析。

1 HI-3593收發(fā)裝置設(shè)計與原理分析

ARINC429總線標準使用兩根信號線傳輸32位的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)，以脈沖形式發(fā)送。ARINC429總線數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

圖1 ARINC429總線數(shù)據(jù)幀格式Fig.1 ARINC429 bus data frame format

由圖1可知，數(shù)據(jù)幀包含奇偶校驗、符號狀態(tài)矩陣(sign status matrix,SSM)、數(shù)據(jù)源終端識別(source/destination,identifier,SDI)和標志位(LABEL)五個主要字段[8]。 LABEL為傳輸信息的類型；SDI為源/目的標志；Data為數(shù)據(jù)區(qū)；SSM為符號/狀態(tài)位；Parity為奇偶校驗;

HI-3593是HOLT集成電路公司生產(chǎn)的集成化的ARINC429總線數(shù)據(jù)接口芯片。它能夠同時管理2路接收通道和1路發(fā)送通道。它的每一路通道內(nèi)存均為獨立存儲空間，可同時進行多通道數(shù)據(jù)交互。HI-3593采用3.3 V單電源供電，使用高速10 MHz串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)與主控CPU通信，實現(xiàn)系統(tǒng)初始化配置和收發(fā)數(shù)據(jù)功能。其便捷的使用方式和準確的收發(fā)性能使得ARINC429數(shù)據(jù)交互變得更加簡便。

1.1 ARINC429數(shù)據(jù)收發(fā)控制器結(jié)構(gòu)和原理

HI-3593數(shù)據(jù)收發(fā)控制器由三大部分組成，分別為接收通道RX1、接收通道RX2、發(fā)送通道TX1。

HI-3593收發(fā)原理如圖2所示。

圖2 HI-3593收發(fā)原理圖Fig.2 HI-3593 transceiver schematic

接收通道由接收端口、驅(qū)動器、有效字檢查模塊、LABEL過濾模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、接收完成中斷提示等組成。發(fā)送通道由數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)格式化轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電路、輸出接口等組成。其中：驅(qū)動器負責收發(fā)的電平轉(zhuǎn)換；有效字檢查模塊對接收的每一位數(shù)據(jù)進行采樣判斷；LABLE過濾可以選擇不同LABEL通道進行數(shù)據(jù)接收。

1.2 HI-3593工作模式

HI-3593ARINC429數(shù)據(jù)收發(fā)器的工作模式為自測模式、正常模式。自測模式下，通過SPI總線配置發(fā)送控制寄存器工作模式為SELFTEST，無需外部引線連接，內(nèi)部控制線路將收發(fā)接口自動對接，并通過自收發(fā)方式驗證系統(tǒng)是否正常工作。正常工作模式下，發(fā)送通道和接收通道都支持低速12.5 kbit/s和高速100 kbit/s通信速率，各通道獨立工作。

1.3 收發(fā)操作

ARINC429總線數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，首先配置接收通道控制寄存器，主要包括ARINC通信速率、SDI數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、LABEL過濾器使能。配置完成后，等待數(shù)據(jù)接收完成中斷標志位。接收到數(shù)據(jù)接收完成標志后，通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)接收。

ARINC429總線數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。首先，配置發(fā)送通道控制寄存器，主要包括ARINC通信速率、奇偶校驗、關(guān)閉自測模式、選擇數(shù)據(jù)發(fā)送自動模式或手動模式。自動模式下，將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)后，系統(tǒng)會自動控制發(fā)送；手動模式下，需要發(fā)送開始控制碼0x40，隨后系統(tǒng)執(zhí)行發(fā)送命令。

2 ARINC429總線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System design structure diagram

監(jiān)控系統(tǒng)由2路ARINC429數(shù)據(jù)接收通道、1路發(fā)送通道、HI-3593數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊、ARM處理器、電源管理模塊、可視化監(jiān)控界面、阿里云遠程監(jiān)控平臺組成，可實現(xiàn)近端和遠端同時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集、解析、分析功能。

2.2 系統(tǒng)硬件原理圖

系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計準則。系統(tǒng)硬件連接如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件連接圖Fig.4 System hardware connection diagram

系統(tǒng)硬件包含四大模塊：主控模塊、HI-3593模塊、WiFi模塊、電源管理模塊。HI-3593核心轉(zhuǎn)換模塊需要外部晶振。本文采用4 MHz有源晶振，采用4分頻產(chǎn)生系統(tǒng)所需1 MHz采樣時鐘。其次，還需要兩個外接電容實現(xiàn)單3.3 V電源轉(zhuǎn)換為ARINC429總線協(xié)議所需要的正負6.5 V輸出電平信號。WiFi模塊采用ESP8266WIFI，其抗干擾能力強、傳輸可靠、功耗低。電源管理模塊包括鋰電池充電模塊、充放電保護模塊、過熱保護模塊、升壓模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)采集板軟件設(shè)計

本文采用stm32f103c8t6控制器控制HI-3593數(shù)據(jù)收發(fā)器的工作狀態(tài)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收模式為中斷接收。當接收通道完成數(shù)據(jù)接收后，對應的中斷接收標志位就會產(chǎn)生一個低脈沖信號作為中斷源，控制器開始讀取緩沖區(qū)的接收數(shù)據(jù)。HI-3593軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 HI-3593軟件設(shè)計流程圖Fig.5 HI-3593 software design flowchart

2.3.2 監(jiān)控端數(shù)據(jù)解析

飛機上的ARINC429總線數(shù)據(jù)一般采用自定義編碼方式傳輸，因此數(shù)據(jù)解析也要按照飛機數(shù)據(jù)傳輸標準解析表去解析。ARINC429總線數(shù)據(jù)量較大，傳統(tǒng)的單協(xié)議解析方式無法滿足多種類飛機信息解析需求[9]。因此，采用接口控制文檔(intrerface control document,ICD)數(shù)據(jù)文檔解析方式，可直接將飛機廠家生產(chǎn)廠家的飛機數(shù)據(jù)傳輸標準導入ICD數(shù)據(jù)庫，每次根據(jù)LABLE號查找對應解析ICD進行數(shù)據(jù)解析。本文以ARJ21飛機控制系統(tǒng)中的空氣溫度傳感器數(shù)據(jù)采集為例，數(shù)據(jù)解析表如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)解析表Tab.1 Data analysis table

數(shù)據(jù)查找讀取解析文件程序代碼如下。

string connString = "server=localhost;database=arinc429;uid=admin;pwd=123456";

MySqlConnection conn = new MySqlConnection(connString);

conn.Open();

string sql = "select 211 from LABEL";

List mysqldata = new List();

MySqlDataReader readdate;

MySqlCommand mysqlcom = conn.CreateCommand();

mysqlcom.CommandText = sql;

readdate = mysqlcom.ExecuteReader();

for(int i=0;i<22;i++)

{

mysqldata.Add(readdate.GetString(i));

}

3 結(jié)論

本文實現(xiàn)了對ARINC429總線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計。首先，設(shè)計了基于HI-3593集成芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)電路，實現(xiàn)了多種ARINC429數(shù)據(jù)通信速率兼容接口。其次，采用簡易化模塊使用配置，可直接通過上位機實時修改模塊工作模式、狀態(tài)，并自動保存。最后，設(shè)計了近端和遠端可視化監(jiān)控界面對ARINC429總線節(jié)點數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)采集、解析、分析功能。數(shù)據(jù)解析采用ICD接口文檔方式，可解決不同節(jié)點數(shù)據(jù)格式不同難題，提高解析結(jié)果正確性和可靠性。 小型化、模塊化、低功耗的設(shè)計，可使該系統(tǒng)靈活應用于工廠化測試。