1、一种多特征数据块混合的 ARINC429 总线测试技术 李铁林 闫文宇 中国飞行试验研究院 point本文为实现具有多特征数据块混合特点的 ARINC429 总线机载测试, 提出了多路总线解析与分级调度方法解决其测试问题;分析了事件性数据块结构及测试要求, 针对现有的参数采集及遥测能力, 在 SOC 技术下研制专用测试设备, 对多路多特征数据块混合的 ARINC429 总线的数据块解析识别, 按照 ICD 规定及测试要求将其分为 100%采集、周期性数据块挑选采集、事件性数据块挑选采集三个级别, 设计基于最小格栅模型的压缩映射逻辑实现事件性数据块压缩, 分别设计不同的 RS422 总线发送逻辑
2、将 100%、周期性、处理后的事件性数据块通过 RS422 总线发送, 供后端机载记录、采集设备采集与遥测下发。ARINC429 总线协议是美国航空电子工程委员会 (Airlines Electronic Engineering CommitteeARINC) 于 1977 年提出, 其主要特点是双信道通信、抗干扰性强, 便于加密等, 作为航空电子系统之间最常用的通讯总线之一, 在我国航空工业中得到广泛的应用。因此, 飞行试验中对 ARINC429 总线进行测试, 采集、记录、遥测下发在总线上传输的关键参数, 是试飞机载测试的重要内容。随着航空电子系统的发展, 某飞机航电系统中出现了具有多特征
3、数据块混合的ARINC429 总线, 区别于以往面对的数据块格式固定、周期循环发送 ARINC429数据块, 该总线传输的数据具有数据块格式固定与不固定并存、周期性与事件性发送并存、一个数据块中存在复用 label 号等特点。现有采集 ARINC429 总线数据的原理是判读接收到 label 号以及 SDI 位, 若符合事先设置条件, 则保存到缓存, 采集程序按照设定等时间间隔对缓存中的数据进行采样、编码、传输, 用上述方式采集多特征数据块混合 ARINC429 总线数据, 会导致以下问题:对于突发性、结构不固定的事件性数据块, 经过铁鸟台联试, 如果采样率设置较低, 则存在事件性参数重复采样
4、、漏采样问题, 反之如图 1 所示, 为了分辨复用label 号的事件性参数, 采用较高的采样率则会导致采集带宽较高, 受限于遥测带宽无法实时遥测监控。综上所述, 现有测试系统无法正常采集和遥测下发事件性数据块中数据, 不能满足遥测安全监控要求, 给具有一定风险的试飞安全保障带来隐患。因此, 分析目前数据采集、遥测下发的技术能力, 对多特征数据块混合的ARINC429 总线测试技术进行研究, 形成满足机载测试需求的关键技术以及实施方案, 并研制方案实施所需设备、集成测试系统, 满足型号试飞测试要求。测试总体方案设计事件性数据块典型结构及测试要求两种典型的事件性、数据块结构不固定数据块结构如图
5、2 所示, 其产生与发送时间、具体的包含数据均由实际工作需求决定, 连续发送同一个事件性数据块最小间隔 1 秒钟, 无需求则不发送, 事件性数据块优先于周期性数据块发送。4 路多特征数据块混合的 ARINC429 总线测试要求如下:对部分周期性数据块、所有事件性数据块 100%采集;对部分周期性数据块中关键参数进行遥测监控;对所有事件性数据块中的关键参数进行遥测监控;测试系统需记录事件性信息输出的准确时间。对于航空总线或机载测试设备输出总线, 目前的机载测试手段具有以下能力:机载数据记录系统具有 ARINC429、RS422、PCM、网络以及 1553B 总线数据 100%采集记录能力;机载数
6、据采集系统具有周期性+数据块结构固定的ARINC429、RS422 数据关键参数挑选采集能力, 具有 CAN 总线, PCM、网络、1553B 总线关键参数挑选采集能力。因此, 现有的机载测试系统可以实现 4 路ARINC429 总线的 100%采集记录、并挑选采集其中周期性+结构固定数据块的关键参数, 需要解决事件性数据块的实时挑选采集及遥测下发问题, 从可行性及实现成本考虑, 最佳解决方案是将总线中的事件性数据块进行实时处理并输出给机载数据采集系统, 处理后的数据可以被挑选采集并且占用带宽减少到满足遥测下发需求。图 1 识别复用 label 号所需采样率 下载原图图 2 两种典型事件性数据
7、块结构 下载原图综上所述, 本项目的总体方案设计如下:如图 3 所示, 按照 100%采集记录、常规数据块挑选采集、事件性数据块实时处理并采集 3 种采集模式, 通过研制中间设备, 将 4 路 ARINC429 总线中传输的多种特征数据块划分为与 3 种采集模式对应的 3 个级别, 具体为:第一、4 路总线中所有数据块均归入 100%采集级别;第二、4 路总线中需要遥测的常规数据块全部归入常规数据块挑选采集;第三、4 路总线中所有需要遥测的事件性数据块全部归入第 3 中级别;研制的中间设备完成数据块的判断、分级、合并、处理 (直接转换) 并输出至机载数据记录、采集系统, 实现 4 路多特征数据
8、块混合的 ARINC429 总线测试要求。关键技术及其实现方法基于 SOC 的多路总线解析与分级调度技术按照上文所描述的技术思路, 提出了一种面向多路多特征数据块混合 ARINC429总线的基于 SOC 技术的多路总线解析与分级调度技术, SOC 技术是专用系统集成电路及其嵌入软件协同设计技术, 包含处理器、存储器、片上逻辑的集成电路, 便于快速开发专用系统。技术原理如图 4 所示:在 FPGA 中对 ARINC429 消息进行解码, 根据 ICD 内容通过判断 label 号识别与检测数据块的开始、种类、长度, 结束等关键信息, 依据参数采集与监控需求, 控制将数据块分级后写入相应的 FIF
9、O 或者 RAM 中以备处理后输出, 与数据块内容一起写入还包括接收数据块锁存的时间信息。100%ARINC429 数据块写入 FIFO, 发送编码器即刻按照规定好的通讯协议、数据格式发送写入 FIFO 的数据块内容, 供后端机载数据记录系统 100%采集;周期性+结构固定的 ARINC429 数据块则是按照固定的映射关系写入到对应的 RAM 中, 发送编码器按照规定好的通讯协议循环发送 RAM 中的数据块内容;事件性数据块写入对应的 RAM, 在逻辑电路中对事件性数据块进行处理使其被后端采集时所需带宽降低至满足遥测要求;3 种级别数据块经过分级处理后输出 3 路标准总线供后端机载数据采集系统
10、采集。基于最小格栅模型的压缩编码技术遥测传输的 PCM 流通过二进制位在流中的位置、值 (1 或 0) 表达参数及值, 具有数据流结构固定的特点, 目前的采集方式按照“参数数据串行数据流特定位置”的映射关系, 将参数数据完整的填入 PCM 流中, 为了能完整的下发关键事件性数据块, 必须按照其高采样率在 PCM 流中开辟大量位置空间, 造成参数占用带宽过大而导致无法遥测下发。本文提出一种面向参数特性的压缩映射方法, 突破传统采集方式的“参数数据串行数据流特定位置”映射关系, 提出了“事件性消息最简表征串行数据流特定位置”的压缩映射关系, 依据上述压缩映射原则对 ICD 协议进行分析, 得到表示
11、一个事件性数据块中参数 (32 位 ARINC429 消息) 的最简表征结果, 分析过程如下: (1) 根据ICD 文件确定 32 位 ARINC429 消息的真实有效位, (2) 根据 ICD 文件确定有效位的子域划分、编码方法, (3) 根据 ICD 文件确定各子域之间的逻辑关系, (4) 根据以上信息及数据流位置映射原则设计最小数据位表征格栅模型。例如图 5所示, 类事件性数据块中, 采用 2 位即可表示 1 个事件性消息, 第一位通过置“1”或“0”在 RS422 数据流中的相应位置, 表征某事件消息是否发生, 第二位通过置“1”或“0”表征该事件是否为新发生, 类事件性数据块最简表征
12、模型产生原理如图 6 所示。图 3 总体方案示意图 下载原图图 4 基于 SOC 的多路总线解析与分级调度技术原理 下载原图图 5 I 类事件性数据块关键信息示意图 下载原图图 6 I 类事件性数据块最简表征模型 下载原图基于 FPGA 的 ARINC429 数据通用硬件解析技术以往的总线专测设备针对专门 ICD 设计专用解析逻辑, 飞机设备升级导致 ICD改变时, 或将设备用来测试其他飞机同类总线时, 需要对专测设备进行大量的嵌入式程序更改, 其可拓展性、通用性较差。对于本项目而言, 需根据 ICD 针对每一个事件性消息设计解析逻辑, 大量事件性消息导致解析逻辑庞大且复杂, 不仅开发时耗时长
13、, 执行时实时性也不佳。研究发现, ARINC429 消息中有效数据编码方式具有一定的共性规律性, 研究其具有的共性因素进行总结并分类, 按照类别设计通用的解析逻辑模块, 将大大提升解析逻辑的利用效率, 有效降低解析逻辑规模。本文将 ARINC429 总线数据字划分为如下 4 种类型数据:二进制数据 (BNR 数据) 、二进制编码的十进制数据 (BCD 数据) 、离散数据 (DISC 数据) 、以及自定义数据。为了完成上述的 6 种类型的数据的通用硬件解析, 需分别创建各自的解析参数数据, 将这些解析参数数据按顺序存储在 FPGA 的 RAM 中构成一个解析模块链表库, 如图 7 所示。当需要
14、解析一个 ARINC429 参数时, 需对解析模块链表库进行遍历, 查找出该参数的对应的解析参数数据, 完成对 ARINC429 参数的解析工作。为了满足 6 种数据类型的通用硬件解析, 还需对各种数据类型的解析进行设计:二进制数据 (BNR) :不同 BNR 数据的单位, 分辨率, 符号 (sign) 位含义以及BNR 数据起始/终止位不同, 其解析过程却类似:解析值等于 BNR 数据乘分辨率并加初始值;二进制编码的十进制数据 (BCD) :BCD 数据的解析过程与二进制数据 (BNR) 是类似的:解析值等于 BCD 的数据乘分辨率并加初始值;离散数据 (DISC) :离散子域, 处理方法是
15、根据离散域起始位和终止位, 根据ARINC429 参数说明对其二进制数值解析;自定义数据:浮点数据或者其他数据类型, 可以更具具体数据类型的个数进行添加, 如自定义数据类型 1、2 等。将上述的数据类型的数据处理信息组合起来, 构成一个完成的 ARINC429 参数的解析参数数据, 并把其构成一个解析模块链表库, 完成 ARINC429 数据通用硬件解析。此解析模块链表库可通过上位机软件进行配置后, 利用以太网接口直接烧写入专用测试设备中, 具有很高的灵活性和通用性。图 7 解析模块链表库结构图 下载原图飞行试验应用效果自本文测试方案在某飞机上实施并保障试飞至今, 该套测试系统已成功保障该飞机
16、航电系统试飞的机载测试、遥测监控。测试系统工作稳定, 测试数据准确可靠, 测试保障成功率 100%, 在保障过程中, 机载测试系统数据采集可靠准确, 事后处理数据正确, 监控大厅显示的事件性信息准确, 获得了关键试验点的关键参数。综合以上, 多特征数据块混合的 ARINC429 总线测试技术有力保证了型号试飞任务的顺利进行。结束语本文根据总线 ICD 协议及测试要求, 对多路多特征数据块混合的 ARINC429 总线, 进行分级调度处理, 采用 SOC 技术研制专用设备实现上述功能, 解决了多特征数据块混合的 ARINC429 总线机载测试问题。现在至将来, (高速) 串行总线仍是机载设备之间数据交互的主要途径, 由于各类机载电子设备特殊要求, 越来越多串行总线在数据传输方式、数据协议、数据块大小等方面表现出难以被通用采集器直接采集的特性, 本项目提出的实时解析与分级调度方法、压缩映射方法以及扩展性设计思路等研究成果, 对于后续型号测试具有一定借鉴意义。
