基于低成本多速率的手持式429总线测试仪的设计

成都飞亚航空设备应用研究所有限公司 刘克林

基于低成本多速率的手持式429总线测试仪的设计

成都飞亚航空设备应用研究所有限公司 刘克林

按照检测设备"三化"的要求,本文设计及实现了基于RISC精简指令集架构、高速处理能力的AVR单片机为核心,并辅助MAX232等芯片及键盘、显示屏等外围器件设计了一种低成本多速率的手持式429总线测试仪。该测试仪以微处理器技术为基础,并结合当今先进的测试测量技术和总线通信技术成功实现了429总线测试。测试仪不仅实现了12.5kbps、50kbps和100kbps三种速率的总线测试,还可根据不同的速率进行升级,体现出了测试仪具备的高可靠性、较强的扩展性及适用性。实践证明,该测试仪能够满足12.5kbps、50kbps和100kbps三种速率的429总线测试要求,运行可靠、体积小、重量轻、操作简便及携带方便等特点,具有较好的应用前景。

429总线测试;AVR总线通信技术;低成本;多速率;手持式

1.引言

上世纪60、70年代以前,机载电子设备之间连接需要大量的电缆,这会占用很大的空间和重量,测试也复杂,成本也较高。目前自动化程度较高的飞机使用了数据总线,克服了以上弊端。这些数据总线包括ARINC429、1553B、CSDB等,在对飞机及部件进行维修、测试时常需要对总线进行测试,其中ARINC429总线得到了最为广泛的应用。ARINC429是美国无线电公司制订的一种总线协议,采用低速(12.5kbps)和高速(100Kbps)两种速率。俄制军用飞机选用了类似的总线标准(ГСОТ18977-97),一般采用50kbps的速率。我国也有与之对应的标准,通常采用HS3282或DE11016芯片实现429总线数据收发,但这两种芯片只支持12.5kbps和100Kbps两种速率,不能在俄制装备的相关设备中使用,市场上能支持12.5kbps、50kbps和100kbps三种速率的429总线测试设备多数是采用工控机上并加装429总线板卡的方案,这种测试设备体积大,携带不方便,而且价格昂贵。本文以RISC精简指令集架构、具有接近1MIPS/1MHz的高速处理能力、片上资源丰富的新型AVR单片机ATmega128为核心微处理器技术,辅助MAX232等通用芯片、电路设计了多速率429总线收发模块的总线通信技术,并结合基于AVR单片机微处理器的C语言控制软件技术,实现了支持12.5kbps、50kbps和100kbps三种速率的体积小、重量轻且携带方便手持式429总线测试仪。

2.系统设计

2.1 硬件设计

测试仪以微处理器技术为基础,并结合当今先进的测试测量技术总线通信技术及软件技术成功实现了429总线测试。在微处理器的控制之下,测试仪接收输入单元的指令,通过控制单元实现429收发单元的控制,在相应的驱动软件和应用软件的控制之下,进行设置与操作、命令发送与接收、通过429总线将通信数据转换成相应的专用数据信息,同时,模拟相应的数据信息与被测对象进行交互式通信等完成相关功能的测试。

按照总线测试仪的测试规范及工艺操作流程要求,系统由显示单元、键盘及开关输入单元、控制单元、429接收及缓冲单元、429产生及驱动单元、锂电池及电源管理单元等组成。系统具有的功能有:自检、电源管理、通信控制、数据处理等。整个系统分六个子系统,系统功能结构如图所示,各个系统相互配合,完成最终测试任务。

手持式测试仪为便于外场使用,电源部分采用DC9V电池或者外接AC220V转9V适配器供电。测试仪设计了电源管理电路,当外接AC220V转9V适配器供电时,电池供电自动断开。如果电池电压太低,测试仪将给出电池电压低标志,同时声控报警,提醒用户及时充电,以免影响系统的正常工作,电池供电可持续供电8小时。为了节省电能,系统充分利用睡眠模式,如系统检测到5分钟内没有任何键按下,液晶屏背光将自动关闭;如果10分钟内没有任何键按下,系统将通过蜂鸣器进行报警10秒,然后将自动关闭A/ D、UART、液晶显示等模块,并时入掉电模式(POWER-DOWN MODE),按下任一按键可激活整个系统。

控制单元以AVR单片机微处理器为核心配合外围电路来实现,采用16M外置晶体振荡器,以保证系统能快速处理100kbps速率的429总线数据而不丢失。两个8位定时器、两个16位定时器和8个外中断足够系统使用。系统自带的存储系统已满足系统测试数据的保存,考虑到测试仪的可扩展性,本测试仪还扩展了一片存储芯片。

本检测仪按键采用5列X6行矩阵键盘,软件换向键盘扫法,调用键盘扫描程序,记录下行和列键值,从而确定哪个键被按下。

该检测仪采用金鹏电子公司的OCMJ4X8B-1中文液晶显示屏,该屏可实现汉字、ASCII码、点阵图形和变化曲线的同屏显示,128X64象素图形点阵液晶屏,可显8行汉字,工作温度可达-20℃～70℃,非常适用于手持式仪器,标准用户硬件接口REQ/ BUSY握手通讯协议,简单可靠,采用4线SPI模式,只要5根线与单片机相连接,与ATMEGA128接口电平兼容。

ARINC429数据总线由双绞屏蔽线组成,三种状态的逻辑电平传输二进制数据流。数据流由带有奇偶校验的32位消息字构成,在连续传输的消息字之间至少有4个位时的时间间隔。数据的前8位是标号位(LABEL),后24位是数据部分。标号位标记出数据部分的信息类型,也就是传送的数据的属性。比如,标号为八进制数030,表示传送的是VHF频率信息,标号为八进制数201,表示传送的是DME数据。硬件电路上,429收发单元接收部分采用三极管电路即可实现,发送电路通过反向器及常用的MAX232串口通信芯片,配合系统软件即可完成。

2.2 软件设计

系统借助微处理器开发平台,自定义操作界面,采用模块化设计。整个系统软件的运行围绕按键控制进行,软件的编写也以键盘按键为基础。标识着系统当前的状态名称,每一条线都表示一种循环。在该状态中,系统一直等的按键按下,如果有,系统立即扫描按键,得出键值,并与直线下方的按键进行比较,如有相同的按键,马上执行该键对应的程序。例如在准备接收状态,如果"BACKDROP"键选择,液晶屏背光由ON(亮)变为OFF(灭)或者由灭变为亮;"SPEED"键按下,429总线频率将在LO(12.5kbps)、ME(50kbps)和HI(100kbps)之间相互转换;"PARITY"键用于429总线数据选择是ODD(偶校验)还是EVE(奇校验)校验方式;"MODE"键用来选择是RI(接收)还是TI(发送)方式;"DISPLAY"键选择数据是HEX(十六进制)进制显示,还是ENG(工程数据)进行显示。如:显示工程数据为"0012.0000 KNOTS",表示收到的空速为12KNOTS。具体数据请参考被测试件工艺。

3.结束语

鉴于现代总线测试设备的要求,本总线测试仪摒弃了传统采用HS3282或DE11016芯片设计429总线收发模块的方法,而采用高速处理能力AVR处理器为核心,并辅助MAX232等芯片及键盘显示屏等外围器件及相应的测试软件的方案来实现,在设计时采用的模块化结构、微处理器技术及灵活的软件程序,成功实现了对美制及俄制的不同机型和设备的12.5kbps、50kbps和100kbps三种速率的429总线测试,并进而保证了系统在可靠性、便捷性、适用性及经济性方面的需求。同时,该总线测试仪已经在多个部队及航空中心修理厂内、外场等不同场合对大气数据计算机、飞行控制计算机、控显组件等进行了测试,得到了成功的应用。