ARINC429总线内回绕电路优化设计方法

郭 鑫，薛昭洋，陈 奎，王山虎，於二军

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引言

ARINC429通信总线是航空电子技术中，一类稳定、可靠的数据总线形式，其依据ARINC429规范，规定了航空电子设备(系统)间的数字信息传输要求。国内外多种机型中，将ARINC429总线，联同1553B、CAN、AFDX等总线，作为机上主要的通信总线[1]。

1 ARINC429总线简介

ARINC429总线是基于数字信息传输系统(Digital Information Transfer System,DITS)规范的数据总线，在民用航空通信领域应用广泛[2]。ARINC429总线具有结构简单、性能稳定、抗干扰性强、数据精度高等优点[3]。连接方式上，串行ARINC429总线标准规定，429总线以差分输出的平衡方式工作，为面向接口型的单向广播式传输总线。ARINC429总线标准还规定，429总线上只允许有1个发送器，但可以有最多20个接收器；数据采用双绞屏蔽线进行异步传输。电平特征上，429总线采用双极性归零码的三态调制编码方式，调制信号有“高”、“零”、“低”三种电平状态。传输速率方面，429总线可配置成高速(100 kHz)、低速(12.5 kHz)两种模式。传输协议方面，429总线在物理层上，1个数据包包含32位数据，具体的数据格式定义如图1所示。

图1 ARINC429规范数据格式

图1中，bit31表示高位，bit0表示低位，Parity指奇偶校验(ARINC429总线标准使用奇校验)，SSM表示信号/状态矩阵，用于描述某次传输的数据性质，DATA表示数据，SDI表示数据起源/目的地，LABEL域表示数据类型，不同数据类型指代飞机上不同的子系统。传输时，按照LABEL→SDI→DATA→SSM→Parity的顺序，其中LABEL域先传输高位再传输低位，DATA域先传输低位再传输高位，故接收方接收到429字时，需要对LABEL域进行逆序处理。

2 问题描述

机载计算机ARINC429总线电路设计中，通过FPGA的IP核实现ARINC429收/发协议，外围再搭配对应的驱动芯片，完成429收/发通道，为常见的设计方式。图2中，FPGA选用K7系列，发送、接收驱动芯片分别为HI-8596和HI-8591。同时，为了实时监控总线状态及总线上的数据传输，也为了提高429总线的测试性，通常会在计算机内部进行回绕设计，将发送通道回绕连接至接收通道。对于由FPGA IP核实现的429总线发送通道和接收通道，由于FPGA管脚电气特性为TTL电平，故429总线的发送通道和接收通道分别需由专用发送器和接收器驱动至总线[4]，如图2所示。设计429总线内回绕电路时，若只站在计算机本身的角度考虑，脱离计算机应用环境，则设计人员通常会将发送通道的差分信号线回绕挂接至429功能电路内的某个接收器上。这种设计，在计算机电路级调试、测试阶段，可以巧妙地同时完成429功能电路发送通道和接收通道的测试，但在计算机实际应用中，以连接测试设备进行测试为例，会引发故障，故障机理如图2所示。

图2 故障模型

图2中，虚线表示机载计算机429总线通过零欧电阻R实现的内回绕设计。整体来看，由于不合适的内回绕设计，当计算机连接外部设备时，该条429总线引入了2个发送器和2个接收器，与ARINC429总线标准中规定的“一发多收”冲突，导致429总线的发送和接收功能失效。

3 优化设计方法

429总线的内回绕设计，对于研发机载计算机产品是必要的[5]。正确地设计内回绕电路，对后期产品的调试、测试等环节意义重大。图3描述了正确的429总线内回绕电路设计方法，即基于常用的具有1个发送通道、2个接收通道的标准429 IP核，将发送通道(TX信号)经外围发送器1驱动后，回绕连接至接收器2，经过接收器2驱动后，挂接至同一个IP核的接收通道1(RX_LBACK信号)；而图中虚线表示的连接关系代表有误的回绕电路设计，即将发送通道回绕连接至已设计为接收外部429信号的接收通道0。对于由标准429 IP核实现的429总线发送和接收功能，回绕通道需要连接至IP核“空闲”的接收通道，连接至已定义接收功能的接收通道在产品处于联试环境中时会触发429总线故障。

4 结束语

ARINC429总线相较1553B、CAN等总线，标准简单，连接关系明了，在各型军机、民机的机电、航电系统中得到了广泛应用。目前，成熟的机载计算机产品的429总线电路中，均有用于做回绕测试的内回绕设计。在设计429总线内回绕部分电路时，若只从方便产品本身自测试的角度出发，忽略产品处于测试、联试或应用环境的情形，则会设计出存在故障隐患的内回绕电路。错误的429总线内回绕设计中，将发送通道回绕挂接至已用作接收的接收通道，这种设计虽然在产品自测试时能够同时完成发送通道和接收通道的测试，但当产品连接外部通信设备时，会造成429总线“2发2收”故障模式，429总线失效。本文给出了一种高效的429总线内回绕设计方法，即将发送通道回绕挂接至独立的接收通道上，该设计既保留了产品429总线自测试功能，又保证产品在处于测试、联试或应用环境时429通信功能正常，有效地提高了机载计算机产品429总线的鲁棒性。

图3 429总线功能电路设计