ARINC429總線在ADS_B系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

馮 巖

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

0 引言

在現(xiàn)代飛機(jī)上，大量信息在飛機(jī)與系統(tǒng)、系統(tǒng)與部件之間傳遞。ARINC429總線是廣泛應(yīng)用于航空系統(tǒng)中的數(shù)字總線傳輸技術(shù)。ADS_B系統(tǒng)是未來空中交通管理發(fā)展的方向，如何將ADS_B系統(tǒng)良好的嵌入到航空系統(tǒng)中，是必須要考慮的問題。目前，國內(nèi)的文章僅有ARINC429的實(shí)現(xiàn)方法或僅論述如何 ADS_B 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)［1－4］，鮮有文章對如何實(shí)現(xiàn)ARINC429總線在ADS_B系統(tǒng)的應(yīng)用有所研究。ADS_B系統(tǒng)是未來航空系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)ARINC429總線在ADS_B系統(tǒng)中的應(yīng)用，可有效減少機(jī)內(nèi)布線、減輕飛機(jī)重量，以及避免由于ADS_B系統(tǒng)的應(yīng)用而造成大量的硬件替換。本設(shè)計(jì)采用ARINC429專用芯片HI－8582構(gòu)成數(shù)據(jù)收發(fā)核心單元，F(xiàn)PGA進(jìn)行ARINC429收發(fā)邏輯控制，ARM實(shí)現(xiàn)對ADS_B報(bào)文的編解碼算法。該設(shè)計(jì)在幾乎沒有增加硬件資源的條件下，很好的將ARINC429總線技術(shù)嵌入到ADS_B系統(tǒng)中，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 ARINC429與ADS_B數(shù)據(jù)格式簡介

ARINC 429總線是美國航空無線電公司制定的民用航空數(shù)字總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其數(shù)據(jù)格式為雙極性歸零碼，即調(diào)制信號由“高”、“低”和“零”狀態(tài)組成。ARINC 429字由32個(gè)數(shù)據(jù)位組成，分為5個(gè)基本區(qū)域，分別為 Parity、SSM、DATA、SDI、LABEL，如圖1所示。

圖1 ARINC429數(shù)據(jù)格式

ARINC429數(shù)據(jù)格式中，各比特位代表含義如下:

Parity:字的第32位，一般為奇校驗(yàn)。

SSM:位30、位31為信號/狀態(tài)矩陣，表示硬件設(shè)備條件，操作模式，合法數(shù)據(jù)內(nèi)容。

DATA:位11到位29是數(shù)據(jù)位。

SDI:位10、位9為目的/源接收標(biāo)示。

LABEL:位8到位1用于區(qū)別數(shù)據(jù)類型和相關(guān)參數(shù)。

1090MHzS模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈(1090ES)是國際航空組織推薦的ADS-B的廣播數(shù)據(jù)鏈，最大下行數(shù)據(jù)長度達(dá)到112位，最大數(shù)據(jù)率達(dá)到1M比特/秒［5］。其主要的信息類型有空中位置消息、狀態(tài)消息、速度消息等。本文僅以空中位置消息為例介紹。如圖2所示.部分比特位的含義如下:

DF:下行數(shù)據(jù)鏈格式標(biāo)志

CA:S模式應(yīng)答機(jī)的能力

ICAO:國際民航組織為飛機(jī)分配的編號

CPR:為0，表示“偶”編碼，為1表示“奇”編碼

PI:奇偶校驗(yàn)位

圖2 ADS_B報(bào)文數(shù)據(jù)格式(1090ES)

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖3所示。為了測試需要，圖中所搭載的系統(tǒng)為測試系統(tǒng)。電腦端ARINC429APP軟件為西安方元明科技發(fā)展有限公司開發(fā)，主要用來發(fā)送或接收ARINC49格式的數(shù)據(jù)。ADS_B信號模擬器為電子科技大學(xué)寧波研究院開發(fā)，主要用來發(fā)送ADS_B格式的數(shù)據(jù)。在具體的應(yīng)用中，ARINC429APP軟件相當(dāng)于各傳感器，ADS_B信號模擬器相當(dāng)于ADS_B系統(tǒng)中的發(fā)射部分。

圖3 系統(tǒng)整體框圖

2.1 接收流程描述

在電腦端口通過ARINC429App軟件發(fā)送ARINC429格式數(shù)據(jù)，通過429板卡轉(zhuǎn)換成ARINC429規(guī)定的雙極性歸零碼。HI-8582為收發(fā)一體的接口控制芯片，接收從ARINC429總線發(fā)送來的串行數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過控制HI-8582芯片的和管腳使能，將兩次接收來的16位數(shù)據(jù)拼接成32位數(shù)據(jù)發(fā)送到緩沖fifo，再傳至ARM。ARM通過識別自定義協(xié)議中的標(biāo)號信息編碼成ADS_B消息，回傳至FPGA，然后經(jīng)DPSK(差分移相鍵控)調(diào)制，經(jīng)過發(fā)射機(jī)和天線，可發(fā)送到基站或其他飛機(jī)。在具體測試時(shí)，可用示波器抓取ADS_B報(bào)文，核對是否轉(zhuǎn)換正確。

2.2 發(fā)送流程描述

接收其他飛機(jī)的ADS_B消息數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA通過一級fifo(緩存)發(fā)送給ARM。ARM通過解碼算法，將ADS_B消息中的有效數(shù)據(jù)提取，重新進(jìn)行組合(具體參照下一章節(jié))。FPGA接收ARM的數(shù)據(jù)，根據(jù)首部信息識別要編碼的ARINC429數(shù)據(jù)標(biāo)號，編碼成32位ARINC429要求的數(shù)據(jù)格式。FPGA通過控制HI-8582芯片的和管腳使能，分兩次將數(shù)據(jù)傳送至HI-8582芯片。在具體測試時(shí)，可用ADS_B模擬器發(fā)送已知的ADS_B報(bào)文，通過電腦端ARINC429App軟件觀察數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)換正確。

3 ARINC429與ADS_B數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)ADS_B數(shù)據(jù)和ARINC429數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，需要 ARM端進(jìn)行編解碼作為中介。在ADS_B系統(tǒng)中，為了對飛機(jī)有效編碼，經(jīng)度和緯度等信息采用簡潔報(bào)告(CPR)的形式。在具體使用這些信息時(shí)，需要將ADS_B報(bào)文格式的數(shù)據(jù)通過CPR算法轉(zhuǎn)換成固定字節(jié)格式的數(shù)據(jù)。

為了敘述簡單明了，文中對其中一種ADS_B消息(空中位置消息)的發(fā)送流程加以描述。FPGA接收ADS_B報(bào)文，經(jīng)CPR解碼，回傳至FPGA。為了實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，以及告知FPGA所傳送的信息類型，需要自定義傳輸協(xié)議。需要說明的是，以下協(xié)議為自定義，在相關(guān)開發(fā)時(shí)，可更改，如圖3所示。(注:AA，F(xiàn)9這兩類數(shù)字為自擬數(shù)值):

AA是同步頭，標(biāo)明一段數(shù)據(jù)的開始，同時(shí)數(shù)字也代表了ARM與FPGA之間信息傳送的方向(此處自擬為ARM傳送信息至FPGA)。F9為功能號，作用是FPGA接收到信息后，可通過協(xié)議辨別后面的信息類型、字節(jié)位置，以及將其編碼ARINC429格式數(shù)據(jù)后label數(shù)值。在表格中，只有ICAO地址、高度、緯度、經(jīng)度這三類信息被編碼成ARINC429數(shù)據(jù)。在編碼時(shí)，同一數(shù)據(jù)類型，編號相同。ARINC429的數(shù)據(jù)格式中只有19位數(shù)據(jù)為data位，如若要編碼的數(shù)據(jù)類型不超過19位，則高位補(bǔ)0，超過19位，分兩個(gè)ARINC429數(shù)輸。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，通過ADS_B信號模擬器發(fā)送一幀已知的ADS_B數(shù)據(jù)(1090 MHZ ES模式)如圖6所示。限于示波器抓取的信號范圍有限，僅抓取了ADS_B報(bào)文的一部分。由圖6可知，ADS_B報(bào)文采用“極性歸零碼”表示，前兩個(gè)歸零碼為ADS_B的前導(dǎo)脈沖，是ADS_B數(shù)據(jù)的報(bào)頭標(biāo)志［6］。ADS_B各數(shù)據(jù)位含義表示如圖4所示。為便于說明，我們選擇沒有經(jīng)過 CPR算法變換的ICAO地址進(jìn)行驗(yàn)證。圖6為所發(fā)送的數(shù)據(jù)，用框框住的數(shù)據(jù)為ADS_B中的ICAO地址(二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“101010100000000000000001”，轉(zhuǎn)換為 16進(jìn)制為“aa0001”)。通過圖2所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，在電腦ARINC429APP軟件上看到其label為“0x01”的數(shù)據(jù)為“08000401”和“80005401”，如圖5所示。轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為

圖4 自擬ARM與FPGA傳輸協(xié)議

其中加粗的部分即為ADS_B中的ICAO地址。所接收到的標(biāo)號為0x02，0x03，0x04的信息分別為經(jīng)過CPR算法的高度、經(jīng)度、緯度值。

圖5 ARINC429APP軟件接收的數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

在國內(nèi)，ADS_B系統(tǒng)的研究已初步成熟，如何實(shí)現(xiàn)ADS_B系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信將是下一步要解決的問題。本文從ADS_B系統(tǒng)架構(gòu)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)ARINC429總線在ADS_B系統(tǒng)的應(yīng)用，此方法在不增加硬件的基礎(chǔ)上通過自定義協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了ARINC429數(shù)據(jù)和ADS_B數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)換，對后續(xù)ADS_B系統(tǒng)如何整合到航空系統(tǒng)的研究具有一定的參考意義。

圖6 ADS_B的空中位置消息

［1］丁猛，郭英.ARINC429信號處理板的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(5):30 －32.

［2］姬昕禹，馬捷中，翟正軍等.基于ARINC429總線接口板卡的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(14):3511 －3514.

［3］趙顯紅，何谷惠.基于FPGA的ARINC429機(jī)載總線接口［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，10:92－95.

［4］張楨，孫沛.基于FPGA的ARINC429總線通訊板設(shè)計(jì)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2010，40(4):112－115.

［5］RTCA，DO-260B:Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance－Broadcast(ADS-B)and Traffic Information Services-Broadcast(TIS-B) ［S］.2003.

［6］李慶，基于S模式ADS-B系統(tǒng)的控制與信息處理［D］.電子科技大學(xué)學(xué)位論文，2011.