ARINC429总线在ADS_B系统中的设计

冯 岩

(电子科技大学 成都 611731)

0 引言

在现代飞机上，大量信息在飞机与系统、系统与部件之间传递。ARINC429总线是广泛应用于航空系统中的数字总线传输技术。ADS_B系统是未来空中交通管理发展的方向，如何将ADS_B系统良好的嵌入到航空系统中，是必须要考虑的问题。目前，国内的文章仅有ARINC429的实现方法或仅论述如何 ADS_B 实现系统［1－4］，鲜有文章对如何实现ARINC429总线在ADS_B系统的应用有所研究。ADS_B系统是未来航空系统的重要组成部分，实现ARINC429总线在ADS_B系统中的应用，可有效减少机内布线、减轻飞机重量，以及避免由于ADS_B系统的应用而造成大量的硬件替换。本设计采用ARINC429专用芯片HI－8582构成数据收发核心单元，FPGA进行ARINC429收发逻辑控制，ARM实现对ADS_B报文的编解码算法。该设计在几乎没有增加硬件资源的条件下，很好的将ARINC429总线技术嵌入到ADS_B系统中，具有较强的实用价值。

1 ARINC429与ADS_B数据格式简介

ARINC 429总线是美国航空无线电公司制定的民用航空数字总线传输标准，规定其数据格式为双极性归零码，即调制信号由“高”、“低”和“零”状态组成。ARINC 429字由32个数据位组成，分为5个基本区域，分别为 Parity、SSM、DATA、SDI、LABEL，如图1所示。

图1 ARINC429数据格式

ARINC429数据格式中，各比特位代表含义如下:

Parity:字的第32位，一般为奇校验。

SSM:位30、位31为信号/状态矩阵，表示硬件设备条件，操作模式，合法数据内容。

DATA:位11到位29是数据位。

SDI:位10、位9为目的/源接收标示。

LABEL:位8到位1用于区别数据类型和相关参数。

1090MHzS模式扩展电文数据链(1090ES)是国际航空组织推荐的ADS-B的广播数据链，最大下行数据长度达到112位，最大数据率达到1M比特/秒［5］。其主要的信息类型有空中位置消息、状态消息、速度消息等。本文仅以空中位置消息为例介绍。如图2所示.部分比特位的含义如下:

DF:下行数据链格式标志

CA:S模式应答机的能力

ICAO:国际民航组织为飞机分配的编号

CPR:为0，表示“偶”编码，为1表示“奇”编码

PI:奇偶校验位

图2 ADS_B报文数据格式(1090ES)

2 系统整体方案设计

系统整体方案设计如图3所示。为了测试需要，图中所搭载的系统为测试系统。电脑端ARINC429APP软件为西安方元明科技发展有限公司开发，主要用来发送或接收ARINC49格式的数据。ADS_B信号模拟器为电子科技大学宁波研究院开发，主要用来发送ADS_B格式的数据。在具体的应用中，ARINC429APP软件相当于各传感器，ADS_B信号模拟器相当于ADS_B系统中的发射部分。

图3 系统整体框图

2.1 接收流程描述

在电脑端口通过ARINC429App软件发送ARINC429格式数据，通过429板卡转换成ARINC429规定的双极性归零码。HI-8582为收发一体的接口控制芯片，接收从ARINC429总线发送来的串行数据，FPGA通过控制HI-8582芯片的和管脚使能，将两次接收来的16位数据拼接成32位数据发送到缓冲fifo，再传至ARM。ARM通过识别自定义协议中的标号信息编码成ADS_B消息，回传至FPGA，然后经DPSK(差分移相键控)调制，经过发射机和天线，可发送到基站或其他飞机。在具体测试时，可用示波器抓取ADS_B报文，核对是否转换正确。

2.2 发送流程描述

接收其他飞机的ADS_B消息数据后，FPGA通过一级fifo(缓存)发送给ARM。ARM通过解码算法，将ADS_B消息中的有效数据提取，重新进行组合(具体参照下一章节)。FPGA接收ARM的数据，根据首部信息识别要编码的ARINC429数据标号，编码成32位ARINC429要求的数据格式。FPGA通过控制HI-8582芯片的和管脚使能，分两次将数据传送至HI-8582芯片。在具体测试时，可用ADS_B模拟器发送已知的ADS_B报文，通过电脑端ARINC429App软件观察数据是否转换正确。

3 ARINC429与ADS_B数据格式转换

实现ADS_B数据和ARINC429数据格式之间的转换，需要 ARM端进行编解码作为中介。在ADS_B系统中，为了对飞机有效编码，经度和纬度等信息采用简洁报告(CPR)的形式。在具体使用这些信息时，需要将ADS_B报文格式的数据通过CPR算法转换成固定字节格式的数据。

为了叙述简单明了，文中对其中一种ADS_B消息(空中位置消息)的发送流程加以描述。FPGA接收ADS_B报文，经CPR解码，回传至FPGA。为了实现可靠传输，以及告知FPGA所传送的信息类型，需要自定义传输协议。需要说明的是，以下协议为自定义，在相关开发时，可更改，如图3所示。(注:AA，F9这两类数字为自拟数值):

AA是同步头，标明一段数据的开始，同时数字也代表了ARM与FPGA之间信息传送的方向(此处自拟为ARM传送信息至FPGA)。F9为功能号，作用是FPGA接收到信息后，可通过协议辨别后面的信息类型、字节位置，以及将其编码ARINC429格式数据后label数值。在表格中，只有ICAO地址、高度、纬度、经度这三类信息被编码成ARINC429数据。在编码时，同一数据类型，编号相同。ARINC429的数据格式中只有19位数据为data位，如若要编码的数据类型不超过19位，则高位补0，超过19位，分两个ARINC429数输。

4 实验结果

为了验证设计是否正确，通过ADS_B信号模拟器发送一帧已知的ADS_B数据(1090 MHZ ES模式)如图6所示。限于示波器抓取的信号范围有限，仅抓取了ADS_B报文的一部分。由图6可知，ADS_B报文采用“极性归零码”表示，前两个归零码为ADS_B的前导脉冲，是ADS_B数据的报头标志［6］。ADS_B各数据位含义表示如图4所示。为便于说明，我们选择没有经过 CPR算法变换的ICAO地址进行验证。图6为所发送的数据，用框框住的数据为ADS_B中的ICAO地址(二进制数据为“101010100000000000000001”，转换为 16进制为“aa0001”)。通过图2所设计的系统架构，在电脑ARINC429APP软件上看到其label为“0x01”的数据为“08000401”和“80005401”，如图5所示。转换为二进制为

图4 自拟ARM与FPGA传输协议

其中加粗的部分即为ADS_B中的ICAO地址。所接收到的标号为0x02，0x03，0x04的信息分别为经过CPR算法的高度、经度、纬度值。

图5 ARINC429APP软件接收的数据

5 结束语

在国内，ADS_B系统的研究已初步成熟，如何实现ADS_B系统与机载系统之间数据通信将是下一步要解决的问题。本文从ADS_B系统架构的角度出发，设计ARINC429总线在ADS_B系统的应用，此方法在不增加硬件的基础上通过自定义协议，实现了ARINC429数据和ADS_B数据格式之间的相互转换，对后续ADS_B系统如何整合到航空系统的研究具有一定的参考意义。

图6 ADS_B的空中位置消息

［1］丁猛，郭英.ARINC429信号处理板的设计［J］.微计算机信息，2008，24(5):30 －32.

［2］姬昕禹，马捷中，翟正军等.基于ARINC429总线接口板卡的驱动程序设计与实现［J］.计算机工程与设计，2007，28(14):3511 －3514.

［3］赵显红，何谷惠.基于FPGA的ARINC429机载总线接口［J］.现代电子技术，2008，10:92－95.

［4］张桢，孙沛.基于FPGA的ARINC429总线通讯板设计［J］.航空计算技术，2010，40(4):112－115.

［5］RTCA，DO-260B:Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance－Broadcast(ADS-B)and Traffic Information Services-Broadcast(TIS-B) ［S］.2003.

［6］李庆，基于S模式ADS-B系统的控制与信息处理［D］.电子科技大学学位论文，2011.