ARINC429总线接收器极限参数测试方法

付军立

(北京长城计量测试技术研究所， 100095)

ARINC429总线接收器极限参数测试方法

付军立

(北京长城计量测试技术研究所， 100095)

ARINC429总线接收器的极限参数测试是周期计量过程中的一项重要测试内容. 本文提出一种采用单极性非归零码生成ARINC429总线数据信号的双极性归零码的仿真方法， 采用码型信号发生器予以实现， 产生符合ARINC429协议且波形参数连续可调的总线数据信号， 并对总线接收器进行了位速率、 信号电平和对称度、 边沿建立时间和对称度的极限参数测试试验. 极限参数测试方法满足ARINC429总线接收器极限参数测试需求.

ARINC429； 总线接收器； 双极性归零码； 总线极限参数测试； 总线周期计量

ARINC429总线是一种研发早、 目前工程应用很好的航空数据总线， 以其规范定义简单实用、 设计维护容易、 研制成本低廉、 电子设备与航空电子系统兼容性好等优势， 广泛应用于商务运输航空领域. ARINC429属于非集中控制式单工通信总线， 采用双极性归零码进行数据编码， 并通过双绞线差分传输方式， 作为设备终端级之间的点对点数据传输总线使用. 我国发布了与之对应的总线标准HB6096， 用于指导ARINC429总线在国产民用运输机领域的应用.

总线数据信号的电气特征参数受传输线的长度、 支线配置、 总线所带接收器负载个数及传输过程中噪声和串模干扰的影响， 导致总线数据信号电器特征变化产生畸变， 总线接收器可接受的数据信号畸变的极限情况， 代表了总线通信终端的数据容错能力. 因此， 在ARINC429总线测试方面， 极限参数的测试是一项重要测试内容.

ARINC429总线极限参数测试采用能够产生电气特征参数可连续变化并符合ARINC429规约要求的总线数据信号的标准总线信号发生器.

1 标准ARINC429总线信号发生器

1.1 标准ARINC429总线信号发生器硬件方案

标准ARINC429总线信号发生器由控制计算机、 码型信号发生器、 外时钟同步器和数据帧间隔调节器组成.

其中码型信号发生器作为总线信号仿真输出设备， 用于模拟ARINC429总线两个差分信号输出端A端和B端的数据信号.

外时钟同步器有两个作用： 一是为码型信号发生器提供外部参考时钟信号， 以提高码型信号发生器输出数据信号的频率准确度； 二是通过调节外时钟同步器的时钟频率， 实现码型信号发生器输出数据信号位速率的连续可调.

数据帧间隔调节器用于提供外触发信号， 为码型信号发生器提供同步输出触发脉冲， 并通过调节触发信号周期实现标准ARINC429总线信号发生器输出数据帧间隔的连续可调.

组成设备的最低技术要求如表 1 所示.

表 1 ARINC429总线信号发生器设备要求

1.2 ARINC429总线数据信号

ARINC429总线数据信号采用双极性归零码进行编码， 数据波形具有高电平、 零电平、 低电平3个电平状态.

图 2 ARINC429总线数据信号波形图Fig.2 Waveform diagram of ARINC429 bus data signal

差分传输方式下， 总线信号端口A端和B端的信号相位相差180°， A端和B端的对地电平要求是高电平+5 V、 零电平0 V、 低电平-5 V， 进行差分(A-B)后形成符合ARINC429协议标准要求的双极性3电平编码信号. 一个数据位的前半个周期为高电平， 后半个周期为零电平， 表示该位逻辑值为“1”； 一个数据位的前半个周期为低电平， 后半个周期为零电平， 表示该位逻辑值为“0”， 如图 2 所示.

ARINC429数据总线协议规定一个数据字由32 b组成， 包括5部分： 第1～8 b是标志位(Label)， 用于标识传输数据的信息类型； 第9～10 b是源/目的标识码(SDI)， 用于判断在一个多系统中的源系统； 第11～29 b数据组(DATA)， 是有效载荷数据； 第30～31 b是符号/状态位(SSM)， 用于标识数据字的特征或数据发生器的状态； 第32 b是奇偶校验位(Parity bit， 简写为P).

图 3 ARINC429总线数据帧结构图Fig.3 Frame structure diagram of ARINC429 bus data

1.3 差分双极性归零码编码仿真

本文采用码型信号发生器的非归零码(Non-Return to Zero Code， 简称NRZ码)码型发生功能仿真ARINC429总线的差分双极性归零码编码.

NRZ码根据电平设置方式不同又可分为NRZ编码和编码方式： NRZ编码方式采用零电平和正向非零电平分别代表二进制数据的“0”和“1”； 编码方式采用负向非零电平和零电平分别代表二进制数据的“0”和“1”.

在仿真生成ARINC429总线数据信号时， 对于A端的双极性归零码信号： 采用NRZ编码的“1→0”两个码元的跃变表示双极性归零码的逻辑值“1”； 采用编码的“0→1”两个码元的跃变表示双极性归零码的逻辑值“0”. 对于B端的双极性归零码信号： 采用NRZ编码的“1→0”两个码元的跃变表示双极性归零码的逻辑值“0”； 采用编码的“0→1”两个码元的跃变表示双极性归零码的逻辑值“1”. 则A端信号与B端信号正好反向， 如图 4， 图 5 所示. 与图2所示的A端和B端的双极性归零码数据信号波形一致.

图 4 A端仿真信号示意图Fig.4 Schematic diagram of A terminal simulation signal

图 5 B端仿真信号示意图Fig.5 Schematic diagram of B terminal simulation signal

采用NRZ码仿真双极性归零码是用两个NRZ码元表示一位ARINC429总线数据码信息， 编码效率为50%. 此时， 码型信号发生器的参考时钟频率应为ARINC429总线数据位速率的2倍， 且一个完整的ARINC429总线数据帧长度为32 bit， 因此要求码型信号发生器的NRZ信号数据长度最小为64个码元.

数据信号波形参数调节： ① 位速率， 通过调节外时钟同步器的时钟频率实现， 与位速率的对应关系为(1 bit/s)/2 Hz； ② 边沿建立时间， 通过调节NRZ编码高/零电平变化和编码的低/零电平变化的过渡时间实现； ③ 波形幅度， 通过调节NRZ编码和编码的高电平和低电平数值， 实现组合波形幅度的变化.

2 接收器极限参数测试

ARINC429总线接收器极限参数测试原理如图 6 所示.

设定标准ARINC429总线信号发生器发送符合协议标准规定的数据帧信号： 位速率低速模式下12.5 kbps、 高速模式下100 kbps； 信号高电平10 V、 零电平0 V、 低电平-10 V； 信号边沿建立时间在低速模式下为10 μs， 在高速模式下1.5 μs. 在进行极限参数测试时， 每次只改变其中的一项电气特性参数.

图 6 极限参数校准原理图Fig.6 Limit parameter calibration schematic diagram

2.1 位速率极限参数测试

测量总线接收器可有效接收的数据信号位速率变化的极限范围.

2.1.1 低速工作模式

设置总线接收器接收位速率12.5 kbps， 调节标准ARINC429总线信号发生器的输出数据信号位速率以12.5 kbps为中点分别减小和增大， 测得总线接收器可有效接收数据位速率的极限变化范围(12.389～12.575)kbps.

2.1.2 高速工作模式

设置总线接收器接收位速率100 kbps， 调节标准ARINC429总线信号发生器的输出数据信号位速率以100 kbps为中点分别减小和增大， 测得总线接收器可有效接收数据位速率的极限变化范围(99.16～100.57)kbps.

从实际测量结果可以看出， 总线接收器对于数据信号位速率的变化十分敏感， 实际测量的结果符合ARINC429总线标准对于位速率最大允许误差±1%的技术要求.

2.2 接收器电平极限测试

接收器电平是指总线A端与B端的差分信号电平， 调节标准ARINC429总线信号发生器的NRZ编码和编码的信号幅度， 实现差分信号电平的连续变化. 从测试效果看， (A-B)的高电平和低电平的绝对数值越大， 接收效果越好， 由于差分信号电平过大， 易导致总线接收器损坏， 因此ARINC429总线标准规定了接收器电平的最大极限值为高电平+13 V、 低电平-13 V.

实际测得的总线接收器可接收信号电平的最小值为： 在12.5 kbps位速率下， (A-B)差分信号的高/低电平为±5.96 V； 在100 kbps位速率下， (A-B)差分信号的高/低电平为±5.98 V. 可见， 总线接收器接收电平的极限值与数据信号的位速率无关； 并且接收器允许的信号电平最小值低于ARINC429总线标准对于接收器电平的最低要求(高/低电平±6.5 V).

2.3 接收器电平不对称度测试

调节标准ARINC429总线信号发生器的NRZ编码和编码的信号幅度不一致， 使得(A-B)差分信号的高电平和低电平不对称， 如图 7 所示.

图 7 总线信号电平不对称波形图Fig.7 Waveform diagram of bus data with unsymmetrical level

从实际测试效果看， ARINC429总线接收器允许总线数据信号的高电平和低电平不对称， 但必须同时满足不小于本文2.2节所允许的总线信号电平最小值的要求.

2.4 边沿建立时间极限参数测试

总线信号的边沿建立时间包括数据位前沿和数据位中间的电平跳变沿， 前者是数据位的分界点， 是一个数据位的开始； 后者是数据位中间高/低电平向零电平过渡的跳变时间， 同时作为数据信号传输的时间同步信号.

调节标准ARINC429总线信号发生器的NRZ编码和编码的电平变化时的过渡时间， 实现连续调节(A-B)差分信号的边沿建立时间. 总线标准规定的边沿建立时间为： 12.5 kbps低速模式下10 μs， 100 kbps 高速模式下1.5 μs. 总线接收器分别在低速和高速模式下测试时， 边沿建立时间越短接收效果越好； 边沿建立时间加长， 并不直接影响接收器的接收， 直至边沿建立时间超过数据位周期的1/4， 导致数据信号波形幅度降低至低于本文2.2节总线信号电平的最小值， 才会影响接收器的数据接收， 如图 8 所示.

图 8 边沿建立时间变化波形图Fig.8 Waveform diagram of edge established time is changing

2.5 边沿建立时间不对称度测试

调节标准AFDX总线信号发生器的边沿建立时间， 使其输出波形的数据位前沿和数据位中间的电平跳变沿的过渡时间不一致， 测试结果对总线接收器的接收没有影响.

综上所述， ARINC429总线数据信号的电气特性参数中， 位速率和信号电平对总线接收器的影响明显， 而信号电平对称度、 边沿建立时间和边沿建立时间对称度对总线接收器的影响基本可以忽略. 这是由于位速率和信号电平在发送时易受发送器驱动电路性能和传输过程中衰减、 干扰的双重影响， 从而产生波形畸变， 影响数据接收； 而数据信号传输采用差分传输方式， 对于双极性归零编码的正负向电平、 不同位置边沿建立时间的影响是相同的， 基本不影响总线接收器的数据接收. 从而保证符合ARINC429标准的总线信号能够在标准规定的最大传输距离、 最大信号畸变和最多负载等极限条件下的可靠传输.

3 结 论

ARINC429总线接收器极限参数测试可有效评价总线接收器对数据流信号在传输过程中产生畸变的可接受极限情况， 应用于总线仿真/测试设备的研制及使用维护过程中的测试， 对ARINC429总线仿真器/测试仪的产品检测具有重要意义.

[1] ARINC429 Mark33数字信息传输系统[S]. 美国航空电子工程委员会， 2001.

[2] HB6096 SZ-01数字信息传输系统[S]. 北京： 中华人民共和国航空工业部， 1986.

[3] 付军立. AFDX总线10M接口电气参数极限适应性测试方法[J]. 测控技术， 2015， 34(5)： 45-48.

Fu Junli. The limit adaptive testing method for the electrical parameters of 10M interface of AFDX[J]. Measurement & Control Technology， 2015， 34(5)： 45-48. (in Chinese)

TheLimitParameterTestMethodfortheARINC429BusReceiver

FU Junli

(Beijing Changcheng Institute of Metrology & Measurement， Beijing 100095, China)

The limit parameter test of the ARINC429 bus receiver is an important test content in the periodic metrology. This paper presents a simulation method of bipolar return-to-zero code for generating ARINC429 bus data signal with unipolar non-return-to-zero code. And the method is realized by pattern generator, which generates the bus data signal conforming to standard of ARINC429 protocol ,and the waveform parameters can be adjusted continuously. The limit parameter experiments of the bit rate, signal level and symmetry, edge set-up time and symmetry for the bus receiver were tested. The limit parameter Test Method meets the ARINC429 bus receiver limit parameter test requirements.

ARINC429; bus receiver; bipolar return-to-zero code; limit parameter test; the periodic metrology of bus

1671-7449(2017)06-0519-05

2017-02-06

付军立(1975-)， 男， 高级工程师， 硕士， 主要从事航空电子计量的研究.

V243.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.06.009