飞机组件BITE故障信息提取装置设计

冯星　魏士皓　朱毅　崔海青

摘要：为解决飞机附件维修部门难以获取组件BIT诊断信息，导致维修难度加大的问题，设计了一种便携式飞机组件故障信息提取装置。以FPGA和ARM控制器为主，配合外围模拟电路设计总线接口单元;上位机基于C++实现故障数据解码。该装置不依赖飞机驾驶舱MCDU及CFDIU，能够独立读取飞机组件的故障信息，在短距离内与人机交互界面无线联控，提取组件故障位置。给出了系统设计方案以及实验结果。

关键词：CFDIU;飞机组件;FPGA;ARINC429

中图分类号：V241.0 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0189-03

0 引言

在飞机LRU级组件的维修过程中，组件转至附件维修部门时，航线机务人员一般难以提供组件的详细诊断报告，这就增加了内场维修人员的维修难度[1]。因此设计一种便携式，可以脱离飞机CFDIU的故障提取系统非常有必要。本设计采用了FPGA+ARM的结构，FPGA负责429数据发送和接收的控制，ARM向FPGA发送命令，同时ARM也负责解析FPGA收到的429数据，最后使用无线通信技术与上位机进行数据的交互，上位机将获得到的数据以MCDU页面的形式进行显示。

1 总体方案

如图1所示：系统整体分为控制器部分和429收发电路两个部分。

核心控制器部分由FPGA、ARM和WIFI芯片以及必要的外围器件组成，是系统的功能以及控制核心。ARM处理器经过WIFI芯片与上位机建立连接互通数据，同时将命令下发给FPGA，经其编码成429数据格式传递到发送电路。

ARINC429收发电路的作用是将0、1电平的数字量编码成ARINC429要求的双极性归零码[2]，同时可以将输入的双极性归零码解码成0、1电平供FPGA从中获取信息。

2 硬件系统设计

2.1 控制器电路

控制器电路主要由FPGA、ARM和WIFI芯片组成。FPGA选取EP4CE6E22C8N，因其外围电路设计简单，片内资源丰富，完全满足项目的设计需求;ARM芯片采用ST公司的32位单片机STM32F103C8T6，该芯片内部带有20K的RAM和64K的ROM，具有较多的外部通信接口。WIFI芯片使用ESP8266，此芯片支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，内置TCP/IP协议栈，可以方便得与无线设备建立连接[3]。

FPGA芯片和ARM芯片之间使用UART的方式进行通信，ARM与WIFI芯片之间同样使用UART通信。

2.2 ARINC429收发电路

ARINC429协议要求使用双极性归零码进行通信，分为高速和低速两种模式，而且要求上升、下降沿的时间为高速1.5±0.5us，低速10±5us。为控制实现两种边沿时间特性，采用74HC125控制充电时间常数实现软件对高低速的控制。ARINC429标准规定的电平标准为±5V，时间特性参考[2]。

ARINC429的收发电路需要实现数字量和双极性模拟量之间的相互转换。目前市面上有集成的芯片，但考虑到使用集成芯片成本高，且不具有过流保护的功能。故通过积分电路、差分放大电路、比较电路和保护电路设计了满足ARINC429 特性的集成电路[4]。

3 软件设计

3.1 系统代码逻辑设计

本装置使用Verilog HDL语言编写FPGA部分的代码，包括UART接收ARM数据包、数据包校验解析、429数据发送、429数据接收、内容打包发送五大部分。软件发送、接收数据包的流程如图2图3所示。

设计了一种ARM与FPGA通信协议。如表1所示：数据包为10位的固定长度，第0位和第9位用作数据包的校验;第1位表示数据区的长度;第2-5位组成一个429数据;第6位为通道选择位，可选择使用系统的0或1通道发送当前数据;第7位为速度选择，选择当前数据发送为高速或是低速;第8位为第1-7个数据的校验和。

3.2 无线通信设计

无线通信使用基于ESP8266的WIFI模组实现，该模组内部自带固件，使用AT指令进行配置。装置将模组配置成UDP透传模式，即设备开机工作时，自动创建WIFI网络，等待运行上位机的设备进行连接，连接成功后，通过UDP的方式发送和接收数据[3]。

3.3 上位机设计

上位机程序设计基于Windows操作平台，使用无线网络与硬件电路透传数据。页面设计布局基于HTML+JAVASCRIPT+CSS。C++通过Windows API控制显示界面逻辑。航空总线交互协议，以及相关标准、设计规范参考遵循ARINC604规范[5]，本文不再赘述。

4 实验结果

经实验测试，装置发送的ARINC429数据满足协议要求的标准，接收电路可将外部输入的429数据解码还原。装置与AMU4031维护总线连接通信，去除包头包尾后提取的交互数据，如表2所示。上位机程序解码后显示的维护页面及故障信息，如图4所示。

参考文献

[1] 于银刚.基于嵌入式的CFDIU设计[D].中国民航大学，2011.

[2] ARINC-429-protocol-tutorial V1.07[S].2004.

[3] 黄玉金，杨越，薛伟，张天成.无线模块的AT指令UDP透传设计[J].电子产品世界，2018，25（01）：34-36+33.

[4] 孙戈东.TTL电平信号与ARINC429信号的转换[J].通讯世界，2015（02）：61.

[5] 宋明瑜.機载集中故障显示系统结构化模型的研究[D].中国民航大学，2013.

Design of Aircraft Component BITE Information Extraction Device

FENG Xing，WEI Shi-hao，ZHU Yi，CUI Hai-qing

（Department of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China，TianJin  300300）

Abstract：In order to solve the problem that it is difficult for the maintenance department of aircraft accessories to get the BIT information of component， which makes maintenance more difficult， designed a portable aircraft component information extraction device. The device is based on FPGA and ARM controller， and the bus interface unit is designed with peripheral analog circuit. The upper computer is based on C++ to achieve decoding fault data. This device does not rely on the MCDU and CFDIU devices in the cockpit of the aircraft. It can independently read the information of aircraft components， and can also wirelessly communicate with the interactive interface within a short distance， and finally extract the fault location of components. The system design and experimental results are presented in this paper.

Key words：CFDIU; aircraft components; FPGA; ARINC429