新一代ARINC429总线监听模块设计技术

李国星,黄如昌

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

新一代ARINC429总线监听模块设计技术

李国星,黄如昌

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

在飞行试验中，机载ARINC429总线往往包含重要的试飞数据，采集ARINC429总线是试飞测试系统中重要的一环；以往的ARINC429总线采集技术，一般采用分离元器件构成，造成电路体积大、功耗大，可靠性降低；在新一代网络化采集器创新性预研背景下，提出了一种基于DSP和FPGA架构的通用设计方案，FPGA进行总线协议解析，DSP进行数据的筛选，充分发挥出FPGA的并行优势和DSP的灵活特性；同时，设计了数据采样和传递机制，并在实际工程中得到应用。

机载总线;实时采集;实时过滤;数据采样

0 引言

在飞行试验中，ARINC429总线是常用的机载数据总线，一般用于传递飞机航空电子系统设备间的通讯数据。采集ARINC429总线数据是飞行试验测试重要的环节。以往ARINC429总线技术，一般采用分离元器件构成，造成电路体积大、功耗大，可靠性降低。在新一代网络化采集器创新性预研背景下，提出了一种“DSP+FPGA”架构的设计方案，应用于ARINC429总线监听模块的研制中。“新一代网络化采集器”是我国具有自主知识产权的新一代网络化机载测试系统，旨在改变机载测试技术设备长期依赖进口的现状，实现机载测试装备的工程化、标准化和国产化。该项目为国家技术创新基金项目。ARINC429总线监听模块是新一代网络化采集系统的重要功能模块之一。该模块主要用来监听、采集机载ARINC429总线数据，根据用户编程配置，将符合要求的数据字从总线数据中快速检索过滤出来，并按照特定的规则将数据提交至“新一代网络化采集系统”的背板总线上，最终由主控网络模块将总线数据发送出去，以便实时记录或遥测传输。本文将详细论述ARINC429总线监听模块的设计方案、技术和方法[1-3]。

1 系统方案设计

1.1 新一代网络化采集器架构

新一代网络化采集系统是一种模块化、网络化的采集系统，各功能模块可以插在机箱内任意位置，如图1所示。通过采集器背板总线，各功能模块与控制器模块进行通信。一方面各功能模块的配置信息由控制器模块通过采集器背板总线进行下发，另一方面各功能模块采集到的数据也将通过采集器背板总线传递至控制器模块，最后组成网络包进行数据输出。

图1 新一代网络化采集系统构架

1.2 ARINC429总线监听设计方案

ARINC429总线监听模块设计方案主要由以DSP和FPGA为结构。这种结构借助FPGA的并行优势，实现单芯片采集多路总线的功能，同时利用DSP软件程序的灵活性，充分满足总线数据实时筛选的复杂多样性要求。具体来说，这种结构主要包括如下三部分。

图2 ARINC429总线监听模块设计方案

1)信号电平转换电路。该部分将机载ARINC429总线信号码型调制为TTL电平信号，实现总线物理层面的信号解码。解码后的TTL信号，送往FPGA逻辑电路进行采集和判断；

2)FPGA逻辑电路。该部分首先完成读取来自采集器背板总线的配置信息，并将这些配置信息送往DSP，由DSP根据这些配置信息进行总线数据的挑选；其次对多路总线信号进行协议解析，将解析后的总线数据串并转换，以并行数据字为单位存储在FIFO中，当存储达到预先设定的数据量后，已中断方式通知DSP读取；然后，FPGA逻辑电路中还有重要的一部分，即FPGA与DSP的接口电路，该接口电路是实现两者通信的快速干道，FPGA通过该电路向DSP输入采集数据，DSP通过该电路输出数据结果。数据结果的输出遵循事先约定的采样规则，按照指定的位置和时刻与采集器背板总线进行数据交互。

3)DSP程序设计。该部分主要完成3项任务：(1)读取FPGA缓存电路中的总线配置信息，构建内存映射空间，组建便于数据实时检索的机制；(2)以中断方式读取FPGA缓存电路中的采集数据，并按照总线配置信息，启动快速检索定位程序，将符合要求的数据进行缓存与保留，对于不符合要求的数据进行丢弃；(3)遵循采样规则，按照等间隔定时采样方式，在规定的时刻将数据放置在指定的缓存位置上，采集器背板总线同样按照事先约定的时序进行数据读取。

通过这3部分，可以完成对机载ARINC429总线数据的采集与解析，将符合编程配置要求的总线数据从大量的总线数据中实时快速地检索出来，并将数据结果通过采集器背板总线传递至主控模块，进行数据融合输出，从而可以实现按照预先配置，按需对ARINC429总线进行监听的功能。

1.3 硬件电路方案设计

ARINC429总线监听模块主要由DSP处理器、FPGA逻辑器件、FLASH存贮器、SRAM存储器和背板总线接口及电源电路等组成[4-7]，如图3所示。DSP处理器主要完成编程加载和采集检索功能，外扩FLASH存储器和SRAM存储器构成主控电路系统。FPGA逻辑器件，主要完成背板总线协议解析、总线协议解析、数据缓冲区等功能。DSP处理器和FPGA逻辑器件，通过总线方式进行连接。

图3 系统硬件电路设计

2 数据采样与传输机制

2.1 数据采样方法

经过FPGA解析后的总线数据放入缓冲区内，当再次检索到新的总线数据时，那么旧数据会被覆盖。因此，将对总线数据的采样转变为对指定缓冲区内的数据采样。根据新一代网络化采集器的背板总线协议时序规定，每一个大周期信号表征一个采样周期的开始，大周期信号内包含若干个小周期信号，小周期信号表征基本的采样时刻。当采样率小于小周期频率时，定义为子传输；当采样率大于小周期频率时，定义为超传输。

当为子传输时，将总线数据中的采样率进行归类，同一采样率的数据放置相同的缓冲区内，将小周期频率和该采样率的比值作为放置数据的计数器时刻。对小周期信号计数判断，当达到规定的计数时刻时，即将数据写入指定缓冲区的指定地址内。

当为超传输时，将总线数据中的最大采样率与小周期频率的比值，作为定时器触发的基本单元。将总线数据的采样率与小周期频率的比值作为定时器触发的次数。当小周期信号到来时，根据定时器的触发次数，可以判断该放置哪些数据到指定地址的数据缓冲区内，超传输的时序如图4所示。

图4 超传输采样时序

假设总线数据为超传输模式，当小周期到来时采样率计数器清零，按照定时器触发次数，判断是否该放置数据，实现时序如图5所示。

图5 时序控制的实现过程

2.2 数据传输机制

采集器背板总线与数据采集模块通过数据空间进行数据传递，为了避免数据操作冲突，本文设计了一种乒乓操作方法。将数据空间使的1024个地址，分为高512地址区和低512地址区，如图6所示。当小周期信号到来时，允许采集模块在低512地址区操作，允许采集器背板总线在高512地址区操作；当下一个小周期信号到来时，允许采集模块在高512地址区操作，允许采集器背板总线在低512地址区操作。操作时序如图7所示。如此，根据小周期信号，周而复始，避免采集器背板总线与数据采集模块对同一地址区进行操作，引起混乱与冲突。

图6 数据空间乒乓分区

图7 数据空间乒乓时序

3 应用

此设计方案、数据采样与传输机制，应用到新一代网络化采集器ARINC429总线监听模块的研制中，开发出了ARINC429总线监听模块，如图8所示，并在某型飞机上进行了飞行验证。结果表明：该总线监听模块的功能可靠、良好，可以满足对机载ARINC429总线的实时监听需求，满足飞行试验工程需要。

图8 ARINC429总线监听模块

[1] 修吉宏,等. 8位单片机实现ARINC429总线通信的方法[J].航空制造术, 2005, 47(2): 94-97.

[2] 赵世强,等.AT89C52单片机与ARINC429航空总线接口设计[J].国外电子元器件, 2004,9(8):25-27.

[3] 蒋谢芳,等.基于嵌入式微处理器的ARINC429通信板卡的设计与实现[J].测控术, 2006, 25(3): 52-54.

[4]Intersil.HS23282DATASHEET,IntersilCorporation, 1997.

[5] 苏奎峰,等.TMS320X281XDSP原理及C程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[6] 刘文波,等. 实现ARINC429数字信息传输的方案设计[J].电子技术应用, 2000, 25(6): 48-50.

[7] 李国星.飞行试验中军用1553B总线的实时采集技术[J],计算机测量与控制，2016，24(4).

New Design Technology of ARINC429 Data Bus Monitoring

LI Guoxing, Huang Ruchang

(Chinese flight test Establishment, Xi’an 710089,China)

In flight test, the key flight test data contained in airborne ARINC429 data bus, it is very important part that acquiring ARINC429 data in flight test system. The previous technology of acquiring ARINC429 data , it consist of various components so that circuit volume , large power consumption and low reliability. In the background of new generation networking acquiring equipment, the new design way of DSP and FPGA put out, bus protocol Parsing by FPGA, data searching by DSP. This way makes good use of FPGA parallel computing and DSP neat features. Meanwhile, data sampling and delivering designed , and also applied in practical flight test engineering.

airborne bus; acquiring quickly; searching quickly;data sampling

2017-01-10；

2017-02-08。

李国星(1981-)，男，河南洛阳人，硕士，工程师，主要从事机载测试技术方向研究。

1671-4598(2017)04-0141-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.039

TN791

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