新一代ARINC429總線監聽模塊設計技術

李國星,黃如昌

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

新一代ARINC429總線監聽模塊設計技術

李國星,黃如昌

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

在飛行試驗中，機載ARINC429總線往往包含重要的試飛數據，采集ARINC429總線是試飛測試系統中重要的一環；以往的ARINC429總線采集技術，一般采用分離元器件構成，造成電路體積大、功耗大，可靠性降低；在新一代網絡化采集器創新性預研背景下，提出了一種基于DSP和FPGA架構的通用設計方案，FPGA進行總線協議解析，DSP進行數據的篩選，充分發揮出FPGA的并行優勢和DSP的靈活特性；同時，設計了數據采樣和傳遞機制，并在實際工程中得到應用。

機載總線;實時采集;實時過濾;數據采樣

0 引言

在飛行試驗中，ARINC429總線是常用的機載數據總線，一般用于傳遞飛機航空電子系統設備間的通訊數據。采集ARINC429總線數據是飛行試驗測試重要的環節。以往ARINC429總線技術，一般采用分離元器件構成，造成電路體積大、功耗大，可靠性降低。在新一代網絡化采集器創新性預研背景下，提出了一種“DSP+FPGA”架構的設計方案，應用于ARINC429總線監聽模塊的研制中?！靶乱淮W絡化采集器”是我國具有自主知識產權的新一代網絡化機載測試系統，旨在改變機載測試技術設備長期依賴進口的現狀，實現機載測試裝備的工程化、標準化和國產化。該項目為國家技術創新基金項目。ARINC429總線監聽模塊是新一代網絡化采集系統的重要功能模塊之一。該模塊主要用來監聽、采集機載ARINC429總線數據，根據用戶編程配置，將符合要求的數據字從總線數據中快速檢索過濾出來，并按照特定的規則將數據提交至“新一代網絡化采集系統”的背板總線上，最終由主控網絡模塊將總線數據發送出去，以便實時記錄或遙測傳輸。本文將詳細論述ARINC429總線監聽模塊的設計方案、技術和方法[1-3]。

1 系統方案設計

1.1 新一代網絡化采集器架構

新一代網絡化采集系統是一種模塊化、網絡化的采集系統，各功能模塊可以插在機箱內任意位置，如圖1所示。通過采集器背板總線，各功能模塊與控制器模塊進行通信。一方面各功能模塊的配置信息由控制器模塊通過采集器背板總線進行下發，另一方面各功能模塊采集到的數據也將通過采集器背板總線傳遞至控制器模塊，最后組成網絡包進行數據輸出。

圖1 新一代網絡化采集系統構架

1.2 ARINC429總線監聽設計方案

ARINC429總線監聽模塊設計方案主要由以DSP和FPGA為結構。這種結構借助FPGA的并行優勢，實現單芯片采集多路總線的功能，同時利用DSP軟件程序的靈活性，充分滿足總線數據實時篩選的復雜多樣性要求。具體來說，這種結構主要包括如下三部分。

圖2 ARINC429總線監聽模塊設計方案

1)信號電平轉換電路。該部分將機載ARINC429總線信號碼型調制為TTL電平信號，實現總線物理層面的信號解碼。解碼后的TTL信號，送往FPGA邏輯電路進行采集和判斷；

2)FPGA邏輯電路。該部分首先完成讀取來自采集器背板總線的配置信息，并將這些配置信息送往DSP，由DSP根據這些配置信息進行總線數據的挑選；其次對多路總線信號進行協議解析，將解析后的總線數據串并轉換，以并行數據字為單位存儲在FIFO中，當存儲達到預先設定的數據量后，已中斷方式通知DSP讀取；然后，FPGA邏輯電路中還有重要的一部分，即FPGA與DSP的接口電路，該接口電路是實現兩者通信的快速干道，FPGA通過該電路向DSP輸入采集數據，DSP通過該電路輸出數據結果。數據結果的輸出遵循事先約定的采樣規則，按照指定的位置和時刻與采集器背板總線進行數據交互。

3)DSP程序設計。該部分主要完成3項任務：(1)讀取FPGA緩存電路中的總線配置信息，構建內存映射空間，組建便于數據實時檢索的機制；(2)以中斷方式讀取FPGA緩存電路中的采集數據，并按照總線配置信息，啟動快速檢索定位程序，將符合要求的數據進行緩存與保留，對于不符合要求的數據進行丟棄；(3)遵循采樣規則，按照等間隔定時采樣方式，在規定的時刻將數據放置在指定的緩存位置上，采集器背板總線同樣按照事先約定的時序進行數據讀取。

通過這3部分，可以完成對機載ARINC429總線數據的采集與解析，將符合編程配置要求的總線數據從大量的總線數據中實時快速地檢索出來，并將數據結果通過采集器背板總線傳遞至主控模塊，進行數據融合輸出，從而可以實現按照預先配置，按需對ARINC429總線進行監聽的功能。

1.3 硬件電路方案設計

ARINC429總線監聽模塊主要由DSP處理器、FPGA邏輯器件、FLASH存貯器、SRAM存儲器和背板總線接口及電源電路等組成[4-7]，如圖3所示。DSP處理器主要完成編程加載和采集檢索功能，外擴FLASH存儲器和SRAM存儲器構成主控電路系統。FPGA邏輯器件，主要完成背板總線協議解析、總線協議解析、數據緩沖區等功能。DSP處理器和FPGA邏輯器件，通過總線方式進行連接。

圖3 系統硬件電路設計

2 數據采樣與傳輸機制

2.1 數據采樣方法

經過FPGA解析后的總線數據放入緩沖區內，當再次檢索到新的總線數據時，那么舊數據會被覆蓋。因此，將對總線數據的采樣轉變為對指定緩沖區內的數據采樣。根據新一代網絡化采集器的背板總線協議時序規定，每一個大周期信號表征一個采樣周期的開始，大周期信號內包含若干個小周期信號，小周期信號表征基本的采樣時刻。當采樣率小于小周期頻率時，定義為子傳輸；當采樣率大于小周期頻率時，定義為超傳輸。

當為子傳輸時，將總線數據中的采樣率進行歸類，同一采樣率的數據放置相同的緩沖區內，將小周期頻率和該采樣率的比值作為放置數據的計數器時刻。對小周期信號計數判斷，當達到規定的計數時刻時，即將數據寫入指定緩沖區的指定地址內。

當為超傳輸時，將總線數據中的最大采樣率與小周期頻率的比值，作為定時器觸發的基本單元。將總線數據的采樣率與小周期頻率的比值作為定時器觸發的次數。當小周期信號到來時，根據定時器的觸發次數，可以判斷該放置哪些數據到指定地址的數據緩沖區內，超傳輸的時序如圖4所示。

圖4 超傳輸采樣時序

假設總線數據為超傳輸模式，當小周期到來時采樣率計數器清零，按照定時器觸發次數，判斷是否該放置數據，實現時序如圖5所示。

圖5 時序控制的實現過程

2.2 數據傳輸機制

采集器背板總線與數據采集模塊通過數據空間進行數據傳遞，為了避免數據操作沖突，本文設計了一種乒乓操作方法。將數據空間使的1024個地址，分為高512地址區和低512地址區，如圖6所示。當小周期信號到來時，允許采集模塊在低512地址區操作，允許采集器背板總線在高512地址區操作；當下一個小周期信號到來時，允許采集模塊在高512地址區操作，允許采集器背板總線在低512地址區操作。操作時序如圖7所示。如此，根據小周期信號，周而復始，避免采集器背板總線與數據采集模塊對同一地址區進行操作，引起混亂與沖突。

圖6 數據空間乒乓分區

圖7 數據空間乒乓時序

3 應用

此設計方案、數據采樣與傳輸機制，應用到新一代網絡化采集器ARINC429總線監聽模塊的研制中，開發出了ARINC429總線監聽模塊，如圖8所示，并在某型飛機上進行了飛行驗證。結果表明：該總線監聽模塊的功能可靠、良好，可以滿足對機載ARINC429總線的實時監聽需求，滿足飛行試驗工程需要。

圖8 ARINC429總線監聽模塊

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New Design Technology of ARINC429 Data Bus Monitoring

LI Guoxing, Huang Ruchang

(Chinese flight test Establishment, Xi’an 710089,China)

In flight test, the key flight test data contained in airborne ARINC429 data bus, it is very important part that acquiring ARINC429 data in flight test system. The previous technology of acquiring ARINC429 data , it consist of various components so that circuit volume , large power consumption and low reliability. In the background of new generation networking acquiring equipment, the new design way of DSP and FPGA put out, bus protocol Parsing by FPGA, data searching by DSP. This way makes good use of FPGA parallel computing and DSP neat features. Meanwhile, data sampling and delivering designed , and also applied in practical flight test engineering.

airborne bus; acquiring quickly; searching quickly;data sampling

2017-01-10；

2017-02-08。

李國星(1981-)，男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要從事機載測試技術方向研究。

1671-4598(2017)04-0141-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.039

TN791

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