基于虛擬儀器的ARINC429總線校準(zhǔn)裝置

朱 巖, 王文健, 付 巍

(1. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所， 北京 100095；2. 中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

ARINC429總線是現(xiàn)代航空電子通訊系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)據(jù)總線[1,2]. 在運(yùn)輸機(jī)和相當(dāng)數(shù)量的民航客機(jī)以及軍用飛機(jī)的電子通訊系統(tǒng)中大量采用ARINC429總線作為航空數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體[3]. 為了保障飛機(jī)上安裝的ARINC429總線裝置運(yùn)行的可靠性， 在飛機(jī)裝配階段以及飛機(jī)交付使用一段時間后都要對飛機(jī)上安裝的ARINC429總線裝置的性能進(jìn)行測試. 在地面上能夠?qū)崿F(xiàn)ARINC429總線裝置性能測試的是ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺. 而為了保證ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺測試能力的可靠性， 通常每年需要對其測試性能進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn). 因此， 為了滿足ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺計(jì)量校準(zhǔn)的需求， 有必要研制一套校準(zhǔn)裝置， 該校準(zhǔn)裝置不僅能夠產(chǎn)生滿足ARINC429總線規(guī)約特性的電氣信號， 還能夠接收并識別ARINC429總線信號， 以實(shí)現(xiàn)對ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺輸入、 輸出電氣特性的計(jì)量校準(zhǔn).

本文提出的校準(zhǔn)裝置基于虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)， 能夠按照計(jì)量校準(zhǔn)的需要實(shí)現(xiàn)輸出傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)連續(xù)可調(diào)的總線信號到ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺， 也能夠接收從ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺輸出的總線信號， 并計(jì)算出總線信號的傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)以及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、 誤碼率、 協(xié)議信息等規(guī)約特性.

1 ARINC429總線協(xié)議

ARINC429總線在數(shù)據(jù)傳輸過程中， 采用雙極性歸零碼編碼方式[4,5]， 傳輸信號是由高電平、 零電平、 低電平組成的3電平狀態(tài)編碼. 兩條線路的差分信號邏輯關(guān)系有3種： 在沒有噪聲情況下， 當(dāng)A-B的差分電壓為6～10 V時， 表示邏輯高電平； 當(dāng)A-B的差分電壓為-0.5～0.5 V時， 表示零電平； 當(dāng)A-B的差分電壓為-10～-6 V時， 表示邏輯低電平. 但是， 在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸過程中， 信號電平會受到噪聲和脈沖畸變的干擾. 對于ARINC429總線接收端， 其電壓允許范圍為高電平：6.5～13 V， 零電平：-2.5～2.5 V、 低電平：-13～-6.5 V； ARINC429總線傳輸速率的范圍為12.5～100 kbps， 傳輸字符為32 b， 分為5個基本區(qū)域， 分別為標(biāo)識符、 SDI, Data、 符號位、 狀態(tài)位和奇偶校驗(yàn)位.

2 校準(zhǔn)裝置的硬件系統(tǒng)

2.1 ARINC429總線信號輸出模塊

校準(zhǔn)裝置應(yīng)能夠按照計(jì)量校準(zhǔn)的需要實(shí)現(xiàn)輸出傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)連續(xù)可調(diào)的總線信號到ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺， 以實(shí)現(xiàn)對ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺輸入接口電氣特性的計(jì)量校準(zhǔn).

ARINC429總線協(xié)議規(guī)定總線采用差分方式傳輸數(shù)據(jù)， 因此， 為了產(chǎn)生兩路差分信號， ARINC429總線信號的輸出模塊使用兩塊相同型號的任意波形發(fā)生器卡， 分別產(chǎn)生相位相反的信號， 模擬ARINC429總線的兩條差分傳輸線上的差分信號， 任意波形發(fā)生器卡通過工控機(jī)的內(nèi)部總線時鐘實(shí)現(xiàn)輸出信號的同步觸發(fā)， 觸發(fā)時間偏差小于20 ps. 任意波形發(fā)生器卡輸出信號的電平范圍為±10 V， 分辨率為16 b， 輸出阻抗可選擇50 Ω或75 Ω， 能夠滿足對總線差分信號幅度可調(diào)的校準(zhǔn)要求. 任意波形發(fā)生器卡輸出的最大方波頻率為50 MHz， 上升時間小于1.8 ns， 下降時間小于2.1 ns， 方波畸變?yōu)?%， 也能夠滿足ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺輸入接口電氣特性校準(zhǔn)的需要. ARINC429總線信號輸出模塊原理如圖 1 所示.

圖 1 ARINC429總線信號輸出模塊原理圖Fig.1 ARINC429 bus signal output module schematic

2.2 ARINC429總線信號接收與識別模塊

校準(zhǔn)裝置還應(yīng)能夠接收從ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺輸出的總線信號， 并計(jì)算出總線信號的傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)以及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、 誤碼率、 協(xié)議信息等規(guī)約特性.

根據(jù)ARINC429總線協(xié)議的規(guī)定， 總線采用差分方式以12.5～100 kbps的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù). 為了不失真地接收到從ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺輸出的總線信號， 校準(zhǔn)裝置應(yīng)使用具有差分通道的數(shù)據(jù)采集卡， 以10 MHz的采樣頻率同時采集ARINC429總線的兩路差分信號， 然后， 根據(jù)ARINC429總線協(xié)議規(guī)范對采集到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分解， 計(jì)算出總線信號的傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)以及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、 誤碼率、 協(xié)議信息等規(guī)約特性. ARINC429總線信號接收與識別模塊原理如圖 2 所示.

圖 2 ARINC429總線信號接收與識別模塊原理圖Fig.2 ARINC429 bus signal receiving and identification module schematic

2.3 校準(zhǔn)裝置總體結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)裝置主要采用基于PXIe總線的設(shè)備和外圍具有通道切換、 信號調(diào)理、 阻抗匹配等功能的電路構(gòu)成， 如圖 3 所示.

圖 3 校準(zhǔn)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Calibration device overall structure diagram

校準(zhǔn)裝置的硬件系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、 基于PXIe總線的機(jī)箱、 中央控制器、 基于PXIe總線的功能板卡和與之配套的控制箱等構(gòu)成. 其中， 基于PXIe總線的功能板卡包括：高速數(shù)據(jù)采集卡、 高性能數(shù)據(jù)存儲示波器卡、 任意波形發(fā)生器卡等功能板卡. 與基于PXIe總線的功能板卡相配套的控制箱由阻抗匹配電路、 信號調(diào)理電路、 信號隔離電路、 接口轉(zhuǎn)換電路等電路單元組成， 用于實(shí)現(xiàn)與ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺的接口匹配和信號調(diào)理、 隔離、 轉(zhuǎn)換等功能.

校準(zhǔn)裝置的軟件系統(tǒng)采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn). 軟件系統(tǒng)具有總線數(shù)據(jù)幀信號輸出、 總線數(shù)據(jù)幀信號輸入、 校準(zhǔn)結(jié)果處理、 校準(zhǔn)報(bào)表生成等4個組成部分， 其中總線數(shù)據(jù)幀信號輸出部分具備輸出信號幅度、 傳輸速率、 帶寬分配間隔、 數(shù)據(jù)幀信號位碼設(shè)置等調(diào)節(jié)和設(shè)置的功能； 總線數(shù)據(jù)幀信號輸入部分具備采樣頻率設(shè)置、 采樣方式設(shè)置、 觸發(fā)方式設(shè)置、 總線數(shù)據(jù)幀解碼和分析、 總線電氣特性參數(shù)提取和計(jì)算等功能； 校準(zhǔn)結(jié)果處理部分具備總線電氣特性參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果處理和計(jì)算、 總線規(guī)約特性校準(zhǔn)結(jié)果處理和分析等功能； 校準(zhǔn)報(bào)表生成部分具備表格生成、 校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)信息自動填充等功能.

3 實(shí)測結(jié)果

3.1 ARINC429總線信號輸出功能測試

為了對校準(zhǔn)裝置的功能進(jìn)行測試， 選用了Alta Data Technologies LLC公司生產(chǎn)的PMC-A429板卡作為被校準(zhǔn)的ARINC429總線設(shè)備， 該板卡能夠按照需要產(chǎn)生和輸出ARINC429總線信號， 也能接收和顯示ARINC429總線信號.

校準(zhǔn)裝置由軟件控制實(shí)現(xiàn)ARINC429總線信號的輸出功能， 其程序界面如圖 4 所示. 該程序首先按照輸入的標(biāo)識符位、 SDIData位、 符號位、 狀態(tài)位、 奇偶校驗(yàn)位形成一幀完整的ARINC429總線信號并顯示在圖形窗口中. 然后， 按照輸入的波特率、 差分電壓幅值、 上升/下降時間參數(shù)形成符合校準(zhǔn)要求的ARINC429總線信號， 輸出到PMC-A429板卡的接口. PMC-A429板卡接收到總線信號后， 對總線信號進(jìn)行解碼， 并顯示在窗口中， 如圖 5 所示.

圖 4 ARINC429輸入特性測試界面Fig.4 ARINC429 input feature test interface

圖 5 PMC-A429板卡接收ARINC429總線信號窗口Fig.5 PMC-A429 board receives ARINC429 bus signal window

3.2 ARINC429總線信號接收與識別功能測試

控制PMC-A429板卡輸出的ARINC429總線信號到校準(zhǔn)裝置， 操作界面如圖 6 所示. 由校準(zhǔn)裝置的軟件對ARINC429總線信號進(jìn)行分解， 計(jì)算出總線信號的傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)， 程序界面如圖 7 所示.

圖 6 PMC-A429板卡操作界面Fig.6 PMC-A429 board interface

圖 7 ARINC429輸出特性測試界面Fig.7 ARINC429 output feature test interface

通過使用PMC-A429板卡作為被校準(zhǔn)的ARINC429總線設(shè)備， 對校準(zhǔn)裝置的功能進(jìn)行測試， 測試結(jié)果表明校準(zhǔn)裝置能夠按照計(jì)量校準(zhǔn)的需要實(shí)現(xiàn)輸出傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)連續(xù)可調(diào)的ARINC429總線信號， 也能夠接收ARINC429總線信號， 并計(jì)算出總線信號的傳輸速率、 脈寬、 差分信號幅度、 上升/下降時間等電氣特性參數(shù)以及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、 誤碼率、 協(xié)議信息等規(guī)約特性.

4 結(jié) 論

ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺需要計(jì)量校準(zhǔn)的電氣特性參數(shù)較多， 以往的校準(zhǔn)方法常需要很多的校準(zhǔn)儀器才能實(shí)現(xiàn)對其工作特性進(jìn)行校準(zhǔn). 同時， ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺又具有很多需要校準(zhǔn)的通道， 完成眾多通道的校準(zhǔn)需要很長的時間.

本文提出的基于虛擬儀器的校準(zhǔn)裝置， 采用集成化設(shè)計(jì)， 不需要很多的校準(zhǔn)儀器， 體積小， 便于攜帶. 操作過程采用一鍵式實(shí)現(xiàn)， 在校準(zhǔn)過程中， 只需要將被校準(zhǔn)的總線通道與校準(zhǔn)裝置的相應(yīng)校準(zhǔn)通道相連， 然后點(diǎn)擊操作界面上的一個按鈕， 就能夠?qū)崿F(xiàn)對ARINC429航空數(shù)據(jù)總線測試臺的輸出、 輸入的電氣特性的校準(zhǔn)， 極大地提高了ARINC429航空數(shù)據(jù)總線的校準(zhǔn)效率.