基于STM32的航空通信總線切換器設計

李淵+董敏周+張瑞+張睿+羅洋

摘 要： ARINC429是目前最常用的一種航空通信總線，它具有簡單有效，性能可靠等特性。利用ARINC429總線，飛控系統同各機載設備進行通信，但不同設備上并非都采用ARINC429接口，如衛星接收機采用RS 422總線，且飛控系統ARINC429接口有限。為解決這一問題，提出了基于STM32的航空通信總線切換器設計，方案選取了意法半導體的STM32微控制器，具有高度一體化，低功耗，處理速度快，方便調試與后續開發等優點。

關鍵詞： ARINC429； RS 422總線； STM32微控制器； 低功耗器件

中圖分類號： TN919?34； TP368.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0063?04

Design of avionics communication bus switcher based on STM32

LI Yuan， DONG Min?zhou， ZHANG Rui， ZHANG Rui， LUO Yang

（School of Astronautics， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： As a common avionics communication bus， ARINC429 has the characteristics of simpleness and high effectiveness and reliable performance. With ARINC429， the flight control system can communicate with other airborne equipments. A design of avionics bus switcher based on STM32 is presented because not all of the equipments have ARINC429 interfaces， for example， the satellite receiver uses RS422 bus， and flight control systems have a limited number of interfaces. In the scheme， STM32 MCU of STMicro is chosen， which has a high degree of integration， low?power consumption and high processing speed， and is easy to debug and develop.

Keywords： ARINC429； RS422 bus； STM32 MCU； low?power consumption device

0 引 言

ARINC429總線結構簡單，抗干擾性強，性能穩定，最大的優勢在于可靠性高，因而在民用和軍用航空領域被廣泛應用[1]。利用ARINC429數據總線，便于在系統和設備之間傳送上千種不同類型的參數，如航向、真空速、馬赫數等。飛機飛控系統通常采用ARINC429總線接口，但不同設備間并非都采用ARINC429總線接口，本文涉及的某型飛機的飛控系統采用兩路ARINC429總線接口，衛星接收機采用RS 422接口，導航系統采用SDLC接口，動力系統采用RS 422接口，舵機系統采用ARINC429接口。為了實現機上不同設備間同飛控系統通信，本文設計了基于STM32的通信總線切換器。

1 總線切換器概述

考慮到飛控系統只有兩路ARINC429接口，但外圍通信設備卻有4個，所以采用將衛星接收機和導航系統分為一組，動力系統和舵機系統分為一組，各組數據經主控制器處理后經過ARINC429協議芯片DEI1016和電平轉換芯片BD429分別占用飛控ARINC429收發通道1和飛控ARINC429收發通道2，因為飛控ARINC429收發通道同一時刻只能接收一路數據，所以利用模擬開關CD4052對每組中各路數據進行分時接收，通信總線切換器總體設計如圖 1所示。

總線切換器的主要硬件組成為：控制器STM32F103ZET6，422協議芯片ADM2682EBRIZ，符合ARINC429協議標準的串行收發芯片DEI1016，實現ARINC429電平和TTL電平轉換功能的電平轉換芯片BD429，雙四選一的多路模擬選擇開關CD4052。各主要集成電路介紹如下。

1.1 STM32主控制器

考慮到通信總線切換器對于通信速度和功耗的要求，本設計采用意法半導體公司的STM32F103ZET6作為主控制器。STM32F103ZET6的工作電壓僅為3.3 V，最大工作電流不超過70 MA，該系列使用高性能的ARM? Cortex??M3內核，32位的精簡指令集，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，高達512 KB的閃存和64 KB的SRAM，豐富的增強I/O 端口和聯接到兩條APB總線的外設[2]。這些豐富的外設資源和處理速度是本設計理想的控制器選擇。

圖1 通信總線切換器總體設計

1.2 ARINC429協議芯片DEI1016

DEI1016是Device Engineering 公司生產的可支持ARINC429航空總線協議的串行接收、發送器件，采用低壓供電的 CMOS 工藝，具有兩路接收和一路發送通道，支持 429，571，575，706 等航空通信規范[3]。該器件的主要功能有：串行字長為32或25位，兩個獨立的接收器可直接與ARINC429總線接口相連，具有串/并接收數據轉換，和并/串發送數據轉換功能，串行數據速率為100 Kb/s或12.5 Kb/s，可自動產生字與字之間的間隔，采用單一+5 V供電[4]。

2 硬件設計

2.1 RS 422收發電路

考慮到衛星接收機，導航系統和動力系統的抗干擾性和可靠性，RS 422總線不能采用一般設計中使用的MAX3490等RS 422協議芯片，應采用帶有電氣隔離功能的RS 422收發器，因此本設計采用ADI公司的ADM2682E，該芯片是具備±15 kV ESD 保護功能完全集成式5 kV rms信號和電源隔離數據收發器，適合多點傳輸線路上的高速通信應用，而且集成一個5 kV rms 隔離DC/DC電源，省去了外部DC/DC隔離模塊[5]，原理圖如圖 2所示。

2.2 ARINC429收發單元

DEI1016外部工作時鐘為1 mHz，至少200 μs低電平復位。具有兩路接收和一路發送，要是電路正常工作，發送時需要電平轉換芯片BD429配合，BD429是滿足ARINC429規范的，雙極數據輸入驅動器。DEI1016為前級輸出，BD429為差分輸出，設計原理圖時，BD429的周圍要接兩個75 pF的電容才能正常工作[6]，而且電容至關重要。ARINC429收發單元有3個基本單元組成，第一部分為有源晶振，第二部分為DEI1016收發單元，第三部分為BD429電平轉換電路，其電路結構如圖3所示。

2.3 模擬開關選擇電路

CD4052是一個差分4通道數字控制模擬開關，有A、B兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20 V的數字信號可控制峰峰值至20 V的模擬信號。例如，若VDD=+5 V，VSS=0，VEE=-13.5 V，則0～5 V的數字信號可控制-13.5～4.5 V的模擬信號，這些開關電路在整個VDD～VSS和VDD～VEE電源范圍內具有極低的靜態功耗，與控制信號的邏輯狀態無關，當INH輸入端為“1”時，所有通道截止。 兩位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出[7]。本設計中，因為一個CD4052只有兩路需要選通，因此將控制端A，B連在一起，STM32主控制器給出1和0來分別選擇哪路數據導通，電路圖設計如圖4所示。

圖2 RS 422收發電路

2.4 復位電路

復位電路在系統上電時執行復位，同時也增加了按鍵復位，方便系統調試時進行手動復位，因為STM32是低電平復位[8]，所以本方案設計中的復位電路也是低電平復位的，這里采用了電阻和電容構成上電復位電路，當上電時，電容充電，電容相當于短路，RESET為低電平，一段時間后，電容充滿電，RESET變為高電平。當按下復位鍵RESET后，電容放電，RESET變為低電平，系統復位。原理圖設計如圖5所示。

2.5 下載及調試接口

JTAG是一種國際標準測試協議，它的基本原理是在器件內部定義一個TAP（測試訪問接口），通過專用的的JTAG測試工具對內部節點進行測試[9]。JTAG編程是在線編程，傳統生產流程中先對芯片進行預編程然后再裝到板上，簡化的流程為先固定到器件電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度[10]。但JTAG編程需要專用的仿真器，本設計選用JLINK V8仿真器，一端用USB線與PC相連，另一端與JTAG相連。如圖6所示。

圖3 ARINC429收發單元

3 軟件設計

通信總線切換器任務可分為幾個部分，利用模塊化編程方法進行編程。

流程如圖7所示，具體介紹如下：

（1） 系統上電后先進行初始化，初始化IO口配置，將輸出IO口默認為推挽式輸出，輸入IO口默認為輸入下拉，開啟外部中斷，設置中端優先級，配置串口接收發送功能。

（2） 上電后默認將衛星接收機接入飛控ARINC429輸入通道1，將動力系統接入飛控ARINC429輸入通道2。

（3） 飛控通道1和2切換指令均為外部中斷，如果發生通道1中斷，導航系統接入飛控ARINC429通道1，如果發生通道2中斷，舵機系統接入飛控ARINC429通道2。

圖4 模擬開關選擇電路

圖5 復位電路

圖6 下載及調試接口

圖7 軟件設計

（4） 各通道來的數據先經RS 422協議芯片后進入主控制器STM32處理，然后經過429收發芯片DEI1016做發送字處理，再經電平芯片BD429后送入各飛控429通道。

4 結 語

本方案采取32位高速單片機STM32作為主控制器，結合ARINC429協議芯片連接到飛控系統ARINC429總線，飛控系統給出選擇信號后，通過模擬開關選則飛控需要的設備數據，很好地解決了只有兩路ARINC429接口的飛控系統與各設備間的分時通信。主控制器STM32功耗低，存儲能力強，處理速度快，調試調試簡單，方便開發，便于后續維護和二次開發，同時PCB上所有元器件均采用貼片元件，大大減小了PCB板的面積和重量，不會增加飛行載荷。經實際測試，飛控系統能很好地同各機載設備進行分時通信，符合設計要求。

參考文獻

[1] 劉連生，姜健飛.基于FPGA的ARINC429多通道接口設計與實現[J].測控技術，2010，29（8）：72?75.

[2] 意法半導體（中國）投資公司. STM32中文參考手冊[EB/OL].[2010?01?10] http：//wenku.baidu.com/link？url=SCQ2SQ2f7UTgM2

dpekgTccRhoqjMJC6jYere?F4BJOZazfLa5uLJuANjcZB8KNnfDg

VeYh?WTN4or2Hrw976z1?rjlMdwd1vvHjG4kp3K1q.

[3] 楊明，張涇周，李輝，等.基于MCS?51單片機DEI1016的ARINC429通信模塊設計[J].電子設計工程，2014，22（1）：171?175.

[4] Device Engineering Inc. DEI1016/DEI1016A/DEI1016B ARINC 429 Transceiver [S]. USA： Device Engineering Inc，2004.

[5] Analog Devices. 5 kV rms信號和電源隔離RS 485收發器 [S]. USA： Analog Devices， 2004.

[6] Device Engineering Inc.BD429/ BD429A/ BD429B/ BD429C/ ARINC 429/RS?422 Line Driver Integrated Circuit [S]. USA： Device Engineering Inc， 2008.

[7] 劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[8] YIU Joseph. Cotex?M3權威指南[M].宋巖，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[9] 謝凱，趙健.MSP430系列超低功耗單片機系統設計與實踐[M].北京：機械工業出版社，2009.

[10] 張建國，高靜.基于AVR單片機的高可靠性開關量模塊的設計[J].現代電子技術，2012，35（20）：146?148.

2 硬件設計

2.1 RS 422收發電路

考慮到衛星接收機，導航系統和動力系統的抗干擾性和可靠性，RS 422總線不能采用一般設計中使用的MAX3490等RS 422協議芯片，應采用帶有電氣隔離功能的RS 422收發器，因此本設計采用ADI公司的ADM2682E，該芯片是具備±15 kV ESD 保護功能完全集成式5 kV rms信號和電源隔離數據收發器，適合多點傳輸線路上的高速通信應用，而且集成一個5 kV rms 隔離DC/DC電源，省去了外部DC/DC隔離模塊[5]，原理圖如圖 2所示。

2.2 ARINC429收發單元

DEI1016外部工作時鐘為1 mHz，至少200 μs低電平復位。具有兩路接收和一路發送，要是電路正常工作，發送時需要電平轉換芯片BD429配合，BD429是滿足ARINC429規范的，雙極數據輸入驅動器。DEI1016為前級輸出，BD429為差分輸出，設計原理圖時，BD429的周圍要接兩個75 pF的電容才能正常工作[6]，而且電容至關重要。ARINC429收發單元有3個基本單元組成，第一部分為有源晶振，第二部分為DEI1016收發單元，第三部分為BD429電平轉換電路，其電路結構如圖3所示。

2.3 模擬開關選擇電路

CD4052是一個差分4通道數字控制模擬開關，有A、B兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20 V的數字信號可控制峰峰值至20 V的模擬信號。例如，若VDD=+5 V，VSS=0，VEE=-13.5 V，則0～5 V的數字信號可控制-13.5～4.5 V的模擬信號，這些開關電路在整個VDD～VSS和VDD～VEE電源范圍內具有極低的靜態功耗，與控制信號的邏輯狀態無關，當INH輸入端為“1”時，所有通道截止。 兩位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出[7]。本設計中，因為一個CD4052只有兩路需要選通，因此將控制端A，B連在一起，STM32主控制器給出1和0來分別選擇哪路數據導通，電路圖設計如圖4所示。

圖2 RS 422收發電路

2.4 復位電路

復位電路在系統上電時執行復位，同時也增加了按鍵復位，方便系統調試時進行手動復位，因為STM32是低電平復位[8]，所以本方案設計中的復位電路也是低電平復位的，這里采用了電阻和電容構成上電復位電路，當上電時，電容充電，電容相當于短路，RESET為低電平，一段時間后，電容充滿電，RESET變為高電平。當按下復位鍵RESET后，電容放電，RESET變為低電平，系統復位。原理圖設計如圖5所示。

2.5 下載及調試接口

JTAG是一種國際標準測試協議，它的基本原理是在器件內部定義一個TAP（測試訪問接口），通過專用的的JTAG測試工具對內部節點進行測試[9]。JTAG編程是在線編程，傳統生產流程中先對芯片進行預編程然后再裝到板上，簡化的流程為先固定到器件電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度[10]。但JTAG編程需要專用的仿真器，本設計選用JLINK V8仿真器，一端用USB線與PC相連，另一端與JTAG相連。如圖6所示。

圖3 ARINC429收發單元

3 軟件設計

通信總線切換器任務可分為幾個部分，利用模塊化編程方法進行編程。

流程如圖7所示，具體介紹如下：

（1） 系統上電后先進行初始化，初始化IO口配置，將輸出IO口默認為推挽式輸出，輸入IO口默認為輸入下拉，開啟外部中斷，設置中端優先級，配置串口接收發送功能。

（2） 上電后默認將衛星接收機接入飛控ARINC429輸入通道1，將動力系統接入飛控ARINC429輸入通道2。

（3） 飛控通道1和2切換指令均為外部中斷，如果發生通道1中斷，導航系統接入飛控ARINC429通道1，如果發生通道2中斷，舵機系統接入飛控ARINC429通道2。

圖4 模擬開關選擇電路

圖5 復位電路

圖6 下載及調試接口

圖7 軟件設計

（4） 各通道來的數據先經RS 422協議芯片后進入主控制器STM32處理，然后經過429收發芯片DEI1016做發送字處理，再經電平芯片BD429后送入各飛控429通道。

4 結 語

本方案采取32位高速單片機STM32作為主控制器，結合ARINC429協議芯片連接到飛控系統ARINC429總線，飛控系統給出選擇信號后，通過模擬開關選則飛控需要的設備數據，很好地解決了只有兩路ARINC429接口的飛控系統與各設備間的分時通信。主控制器STM32功耗低，存儲能力強，處理速度快，調試調試簡單，方便開發，便于后續維護和二次開發，同時PCB上所有元器件均采用貼片元件，大大減小了PCB板的面積和重量，不會增加飛行載荷。經實際測試，飛控系統能很好地同各機載設備進行分時通信，符合設計要求。

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2 硬件設計

2.1 RS 422收發電路

考慮到衛星接收機，導航系統和動力系統的抗干擾性和可靠性，RS 422總線不能采用一般設計中使用的MAX3490等RS 422協議芯片，應采用帶有電氣隔離功能的RS 422收發器，因此本設計采用ADI公司的ADM2682E，該芯片是具備±15 kV ESD 保護功能完全集成式5 kV rms信號和電源隔離數據收發器，適合多點傳輸線路上的高速通信應用，而且集成一個5 kV rms 隔離DC/DC電源，省去了外部DC/DC隔離模塊[5]，原理圖如圖 2所示。

2.2 ARINC429收發單元

DEI1016外部工作時鐘為1 mHz，至少200 μs低電平復位。具有兩路接收和一路發送，要是電路正常工作，發送時需要電平轉換芯片BD429配合，BD429是滿足ARINC429規范的，雙極數據輸入驅動器。DEI1016為前級輸出，BD429為差分輸出，設計原理圖時，BD429的周圍要接兩個75 pF的電容才能正常工作[6]，而且電容至關重要。ARINC429收發單元有3個基本單元組成，第一部分為有源晶振，第二部分為DEI1016收發單元，第三部分為BD429電平轉換電路，其電路結構如圖3所示。

2.3 模擬開關選擇電路

CD4052是一個差分4通道數字控制模擬開關，有A、B兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20 V的數字信號可控制峰峰值至20 V的模擬信號。例如，若VDD=+5 V，VSS=0，VEE=-13.5 V，則0～5 V的數字信號可控制-13.5～4.5 V的模擬信號，這些開關電路在整個VDD～VSS和VDD～VEE電源范圍內具有極低的靜態功耗，與控制信號的邏輯狀態無關，當INH輸入端為“1”時，所有通道截止。 兩位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出[7]。本設計中，因為一個CD4052只有兩路需要選通，因此將控制端A，B連在一起，STM32主控制器給出1和0來分別選擇哪路數據導通，電路圖設計如圖4所示。

圖2 RS 422收發電路

2.4 復位電路

復位電路在系統上電時執行復位，同時也增加了按鍵復位，方便系統調試時進行手動復位，因為STM32是低電平復位[8]，所以本方案設計中的復位電路也是低電平復位的，這里采用了電阻和電容構成上電復位電路，當上電時，電容充電，電容相當于短路，RESET為低電平，一段時間后，電容充滿電，RESET變為高電平。當按下復位鍵RESET后，電容放電，RESET變為低電平，系統復位。原理圖設計如圖5所示。

2.5 下載及調試接口

JTAG是一種國際標準測試協議，它的基本原理是在器件內部定義一個TAP（測試訪問接口），通過專用的的JTAG測試工具對內部節點進行測試[9]。JTAG編程是在線編程，傳統生產流程中先對芯片進行預編程然后再裝到板上，簡化的流程為先固定到器件電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度[10]。但JTAG編程需要專用的仿真器，本設計選用JLINK V8仿真器，一端用USB線與PC相連，另一端與JTAG相連。如圖6所示。

圖3 ARINC429收發單元

3 軟件設計

通信總線切換器任務可分為幾個部分，利用模塊化編程方法進行編程。

流程如圖7所示，具體介紹如下：

（1） 系統上電后先進行初始化，初始化IO口配置，將輸出IO口默認為推挽式輸出，輸入IO口默認為輸入下拉，開啟外部中斷，設置中端優先級，配置串口接收發送功能。

（2） 上電后默認將衛星接收機接入飛控ARINC429輸入通道1，將動力系統接入飛控ARINC429輸入通道2。

（3） 飛控通道1和2切換指令均為外部中斷，如果發生通道1中斷，導航系統接入飛控ARINC429通道1，如果發生通道2中斷，舵機系統接入飛控ARINC429通道2。

圖4 模擬開關選擇電路

圖5 復位電路

圖6 下載及調試接口

圖7 軟件設計

（4） 各通道來的數據先經RS 422協議芯片后進入主控制器STM32處理，然后經過429收發芯片DEI1016做發送字處理，再經電平芯片BD429后送入各飛控429通道。

4 結 語

本方案采取32位高速單片機STM32作為主控制器，結合ARINC429協議芯片連接到飛控系統ARINC429總線，飛控系統給出選擇信號后，通過模擬開關選則飛控需要的設備數據，很好地解決了只有兩路ARINC429接口的飛控系統與各設備間的分時通信。主控制器STM32功耗低，存儲能力強，處理速度快，調試調試簡單，方便開發，便于后續維護和二次開發，同時PCB上所有元器件均采用貼片元件，大大減小了PCB板的面積和重量，不會增加飛行載荷。經實際測試，飛控系統能很好地同各機載設備進行分時通信，符合設計要求。

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