1、航空计算技术 2017,05(47),97-100 ARINC429 总线发送端软硬件隔离控制技术研究 索晓杰 王建生 李明 李亚锋 安书董 航空工业西安航空计算技术研究所 导出/参考文献 关注 分享 收藏 打印 摘 要： ARINC429 数据总线是民用和军用飞机上普遍使用的一种互联总线, 其互联模式为点对点互联方式, 支持一发一收或一发多收。采用 ARINC429 总线发送端软硬件隔离控制技术实现了 ARINC429 总线广义多发一收互联结构, 降低了与余度计算机互联的设备的 ARINC429 总线接口软硬件成本及复杂度, 降低了系统成本。关键词： ARINC429 总线; 余度计算机;
2、多发一收; 隔离控制; 作者简介：索晓杰 (1986-) , 男, 陕西渭南人, 工程师, 硕士, 主要研究方向为航空接口设计与测控技术。收稿日期：2017-08-05基金：航空科学基金项目资助 (20121931002) Research on Hardware/Software Isolation Control Technology for ARINC429 Bus TransmitterSUO Xiao-jie WANG Jian-sheng LI Ming LI Ya-feng AN Shu-dong Xian Aeronautics Computing Technique Rese
3、arch Institute, AVIC; Abstract： ARINC429 bus is a common bus used in civil and military aircraft.Its interconnection mode is point to point interconnection mode, which supports one sender and one receiver or one sender and multiple receiver.Using hardware/software isolation control technology, ARINC
4、429 bus transmitter realized interconnect structure with generalized multiple senders and one receiver, which reduced the software/hardware cost and complexity of ARINC429 bus interface connected with a redundant computer and reduced the system cost.Keyword： ARINC429 bus; redundant computer; multipl
5、e senders one receiver; isolation control; Received： 2017-08-05引言ARINC429 数据总线是美国航空无线电公司 (ARINC) 制定的一种民用飞机机载总线规范1-2。该总线在我国民用和军用飞机上得到普遍应用3-4。容错系统具有较高的可靠性, 多采用余度设计思想, 因此也称作余度系统。ARINC429 总线拓扑结构是点对点互联, 支持一发一收或一发多收的互联方式。在采用多余度设计的容错系统中, 容错计算机各余度均需设计与互联设备交互ARINC429 总线数据的功能。在进行 ARINC429 总线互联时, 为适应容错系统的余度设计,
6、 通道切换后, ARINC429 总线能正常通信, 互联设备需要为每个余度的 ARINC429 总线发送端口配置对应接收端口。为了减少互联系统的软硬件成本, 降低互联系统的软件复杂度, 文中采用 ARINC429 总线接口发送端软硬件隔离控制技术, 在容错计算机中实现了多路分时发送, 互联设备单路接收。实现了广义多发一收 (简称“多对一”) 的 ARINC429 总线互联技术, ARINC429 总线广义多对一互联结构如图 1 所示。图 1 中接口卡 1 和接口卡 2 为容错计算机两个余度的 ARINC429 总线接口, 板卡 3 为与容错计算机互联设备的 ARINC429 接口。图 1 AR
7、INC429 总线广义多对一互联结构 下载原图1 方案设计ARINC429 采用双绞电缆线进行数据的传输, 其速率为 100 Kbps 或 12.5 Kbps。采用双极性归零制的三态码调制方式, 即调制信号由“高”、“零”和“低”状态组成的三电平状态调制5-6。ARINC429 总线无数据发送时处于“零”电平状态, 发送数据时, 总线对地电平为:高电平 5V0.5V, 低电平-5V0.5V7。ARINC429 总线广义多对一互联结构是指在采用 ARINC429 总线通信的系统中, 存在 1 路 ARINC429 发送端口将数据同时发送给至少 2 路 ARINC429 接收端口, 即一发多收,
8、如图 1 中所示, 板卡 3 将数据同时发送给板卡 1 和板卡 2, 该互联方式多用在一个系统或设备将数据通过 1 路 ARINC429 总线发送端口同时发送给其他多个系统或设备, 即一个发送端口对应多个接收端口。2 路或 2 路以上ARINC429 发送端口将数据分时发送给同 1 路 ARINC429 接收端口, 即多发一收。如图 1 中所示, 板卡 1 和板卡 2 将数据分时发送给板卡 3, 即一个系统通过一路 ARINC429 总线接收端分时接收多个设备的数据。对于一发多收互联方式来说, ARINC429 总线由一路接口驱动, 因此不存在总线竞争问题。对于多发一收互联方式来说, 由于多个
9、发送接口共用一条 ARINC429总线, 如图 1 中“A”、“B”两点之间的总线。因此存在多个发送接口之间的互相干扰及竞争问题。ARINC429 总线接口发送端软硬件隔离控制技术是指在 ARINC429 总线接口的设计时, 采用软硬件技术实现 ARINC429 总线接口发送端发送可控, ARINC429 总线接口发送端与 ARINC429 总线物理通断可控的功能。以解决总线竞争问题和发送接口与总线的物理隔离问题。ARINC429 总线的物理隔离是通过在硬件电路中增加开关电路实现。开关电路由智能控制单元控制, 控制单元根据控制逻辑对开关电路进行控制。容错计算机中多个通道之间设计有内总线或 CC
10、DL 接口进行数据交互, 容错计算机中设计有故障逻辑单元、通道监控互比单元、通道切换单元, 以实现容错计算机的故障监控及通道切换。鉴于容错计算机各余度之间互为备份, 为降低总线通信的设计复杂度, 通过在容错计算机中总线切换单元来实现总线切换, 即将图 1 中的“A”点放在容错计算机内部实现。容错计算机中首先由控制通道进行ARINC429 数据发送, 其余备份通道的 ARINC429 总线发送接口被禁止并与总线断开, 如果控制通道故障, 引发通道切换, 在进行通道切换时, 将主控通道的ARINC429 总线发送接口断开, 将备份通道的 ARINC429 总线发送接口使能并与总线连通, 控制权交给
11、备份通道。ARINC429 总线发送接口由发送端软件程序、协议解析单元及接口电路 3 部分组成。其中发送端软件程序是发送接口的驱动程序, 以便用户程序调用。协议解析单元完成协议的解析和控制, 硬件电路完成数字信号和总线电平信号转换。ARINC429 总线发送端软硬件隔离控制技术结构如图 2 所示。在软件和硬件分别加入控制机制, 实现 ARINC429 总线发送端控制和总线隔离控制8-9。图 2 ARINC429 总线发送端软硬件隔离控制结构 下载原图1.1 硬件设计ARINC429 总线接口电路由完成数据处理的智能处理器, 协议解析的协议处理器, 及产生 ARINC429 总线电平信号的总线接
12、口驱动芯片 3 个部分组成。随着集成电路的发展, ARINC429 总线接口电路有多种实现方式, 有的将协议处理器和智能处理器进行集成, 有的将协议处理器和接口芯片集成10-12。为了兼容 ARINC429 总线接口电路的多种实现方案, ARINC429 总线发送端软硬件隔离控制技术的硬件隔离控制方法是在总线接口芯片与 ARINC429 总线之间增加开关电路, 文中选用模拟开关实现。在允许发送数据时将模拟开关使能, 使总线接口芯片与总线连通。禁止发送时, 模拟开关断开, 将总线接口芯片与总线隔离。ARINC429 总线不发送数据时, 发送端输出“零”电平。通过模拟开关将不发送的端口断开, 由需
13、要发送数据的端口驱动总线。该设计有利于故障端口隔离, 防止因为端口故障而将总线拉“死”, 及各发送端口之间的信号干扰。该模拟控制开关由智能控制器进行控制。硬件设计框图如图 3 所示。图 3 ARINC429 总线硬件设计框图 下载原图1.2 软件设计容错计算机的故障逻辑和通道切换程序一般由设计人员根据系统的需求进行设计。系统需求不同, 故障逻辑及通道切换流程不同。通道切换时, 通道切换程序根据设计者设计的控制逻辑, 断开控制通道, 将控制权移交给备份通道。在此过程中, 完成控制通道的 429 总线发送接口的发送禁止及开关电路断开;同时设置拥有控制权的备份通道的 429 总线发送接口的发送使能及
14、开关电路接通。该部分设计与故障逻辑及通道切换程序紧密相关, 因此不同系统之间的差异较大, 文中不讨论。ARINC429 总线数据发送流程如图 4 所示。在软件中增加发送功能使能标识和开关打开标识, 如果发送使能有效且开关打开则发送数据。其中发送使能标识和模拟开关使能由故障逻辑和通道切换程序进行设置。图 4 ARINC429 总线数据发送流程 下载原图2 实现与验证2.1 实现从软件、硬件、逻辑三个方面来实现含有 ARINC429 总线发送端隔离控制的ARINC429 总线接口。采用 Power PC+FPGA+接口芯片实现 ARINC429 总线电路, 其中 ARINC429 总线协议通过可编
15、程逻辑实现。软件中增加对两个标识的判断, 即数据发送程序中增加对本通道 ARINC429 总线状态判断, 流程如图 4 所示。逻辑中需要设计两个寄存器, 一个是发送功能使能寄存器, 一个是开关使能寄存器。发送使能寄存控制本通道能否对外发送数据, 开关使能寄存器可以控制开关的闭合或断开。通道切换程序在进行通道切换时, 对该两个寄存器进行置位或复位操作。在数据发送前, 软件通过读取该两个寄存器的值, 判断是否能够发送数据。同时逻辑中实现 ARINC429 总线协议逻辑。硬件中开关电路选用 MAX 公司的模拟开关。要求模拟开关支持双极性电源供电, 电压范围:4.5 V20 V, 符合 ARINC42
16、9 总线电平特性。2.2 验证按照设计方案及集成电路完成的双余度容错计算机, 完成故障逻辑、通道切换程序、ARINC429 总线驱动软件、ARINC429 总线协议逻辑等的开发。利用测试设备对容错计算机的 ARINC429 总线进行测试。采用的测试方法是:两个通道的ARINC429 总线发送端不断发送不同数据, 设置使能寄存器及开关使能寄存器, 通过接收端收到的数据判断系统 ARINC429 总线状态。测试情况包含 4 种, 分别为, 情况 1:通道 A 允许发送, 通道 B 不允许发送;情况 2:通道 A 不允许发送, 通道 B 允许发送;情况 3:通道 A 允许发送通道 B 允许发送;情况
17、 4:通道 A 不允许发送, 通道 B 不允许发送。测试情况如下表所示。ARINC429 总线测试情况表 下载原表 由上表可知:在开关状态及使能寄存器使能的情况下, 通过发送软件向ARINC429 总线发数据, ARINC429 总线上测到电平信号, 接收设备收到数据;如果开关或着使能寄存器任意一个禁止, 该通道无法将数据发送出去。如果两个通道同时使能开关和使能寄存器, ARINC 429 总线发生竞争, 总线数据出错。该技术设计的双余度计算机系统较好地实现了 ARINC429 总线的广义多发一收互联模式。3 结束语通过对以往 ARINC429 总线接口的硬件、软件设计进行改进, 加入隔离控制
18、技术, 控制 ARINC429 总线接口发送端的发送功能并实现发送端与总线物理隔离, 从而保证每一时刻只有一个发送端的数据可发送出去。该技术增强了 ARINC429 总线的互联方式, 有效减少了互联设备的硬件资源, 降低了系统成本。参考文献1淮治华, 田泽, 田锋, 等.ARINC429 总线控制器模块设计与实现J.计算机技术与发展, 2015, 25 (4) :197-199. 2高志远, 闫文宇.多通道 ARINC429 总线检查仪J.电子设计工程, 2015, 23 (8) :88-89, 93. 3解文涛.ARINC429 总线采集器的设计和开发J.测控技术, 2010, 29 (7)
19、 :24-27. 4周前柏, 马伟勃.ARINC429 通信方式的研究与实现J.航空计算技术, 2010, 40 (4) :121-124. 5李珂, 顾飞.基于 CMOS 工艺的 ARINC429 总线接收器设计J.电子与封装, 2016, 16 (3) :23-25, 47. 6曾锋, 冯宇.基于 FPGA 的 ARINC429 协议设计J.现代电子技术, 2015, 38 (18) :92-94. 7田立强, 曾祥烨, 苏彦莽, 等.基于 FPGA 的 ARINC429 接口设计J.测控技术, 2015, 34 (2) :91-94. 8魏永升, 向新, 王占领.一种多通道 ARINC4
20、29 总线协议 IP 核的设计与实现J.微电子学与计算机, 2014, 31 (3) :78-81. 9王鹏, 吴玉莲.使用 FPGA 技术实现 ARINC429 接口电路J.自动化与仪器仪表, 2016, 119 (5) :214-215. 10王春雷, 罗阳, 朱智强.某专用 429 总线接口协议的 FPGA 实现J.航空兵器, 2012 (1) :41-43, 47. 11蒋学东, 刘勇.用 FPGA 实现 ARINC429 接口和总线数据接收J.现代电子技术, 2010 (6) :116-118. 12赵显红, 何谷惠.基于 FPGA 的 ARINC429 机载总线接口J.现代电子技术, 2008 (10) :93-95.
