飛機組件BITE故障信息提取裝置設(shè)計

馮星　魏士皓　朱毅　崔海青

摘要：為解決飛機附件維修部門難以獲取組件BIT診斷信息，導(dǎo)致維修難度加大的問題，設(shè)計了一種便攜式飛機組件故障信息提取裝置。以FPGA和ARM控制器為主，配合外圍模擬電路設(shè)計總線接口單元;上位機基于C++實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)解碼。該裝置不依賴飛機駕駛艙MCDU及CFDIU，能夠獨立讀取飛機組件的故障信息，在短距離內(nèi)與人機交互界面無線聯(lián)控，提取組件故障位置。給出了系統(tǒng)設(shè)計方案以及實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：CFDIU;飛機組件;FPGA;ARINC429

中圖分類號：V241.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0189-03

0 引言

在飛機LRU級組件的維修過程中，組件轉(zhuǎn)至附件維修部門時，航線機務(wù)人員一般難以提供組件的詳細診斷報告，這就增加了內(nèi)場維修人員的維修難度[1]。因此設(shè)計一種便攜式，可以脫離飛機CFDIU的故障提取系統(tǒng)非常有必要。本設(shè)計采用了FPGA+ARM的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA負責429數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的控制，ARM向FPGA發(fā)送命令，同時ARM也負責解析FPGA收到的429數(shù)據(jù)，最后使用無線通信技術(shù)與上位機進行數(shù)據(jù)的交互，上位機將獲得到的數(shù)據(jù)以MCDU頁面的形式進行顯示。

1 總體方案

如圖1所示：系統(tǒng)整體分為控制器部分和429收發(fā)電路兩個部分。

核心控制器部分由FPGA、ARM和WIFI芯片以及必要的外圍器件組成，是系統(tǒng)的功能以及控制核心。ARM處理器經(jīng)過WIFI芯片與上位機建立連接互通數(shù)據(jù)，同時將命令下發(fā)給FPGA，經(jīng)其編碼成429數(shù)據(jù)格式傳遞到發(fā)送電路。

ARINC429收發(fā)電路的作用是將0、1電平的數(shù)字量編碼成ARINC429要求的雙極性歸零碼[2]，同時可以將輸入的雙極性歸零碼解碼成0、1電平供FPGA從中獲取信息。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制器電路

控制器電路主要由FPGA、ARM和WIFI芯片組成。FPGA選取EP4CE6E22C8N，因其外圍電路設(shè)計簡單，片內(nèi)資源豐富，完全滿足項目的設(shè)計需求;ARM芯片采用ST公司的32位單片機STM32F103C8T6，該芯片內(nèi)部帶有20K的RAM和64K的ROM，具有較多的外部通信接口。WIFI芯片使用ESP8266，此芯片支持標準的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可以方便得與無線設(shè)備建立連接[3]。

FPGA芯片和ARM芯片之間使用UART的方式進行通信，ARM與WIFI芯片之間同樣使用UART通信。

2.2 ARINC429收發(fā)電路

ARINC429協(xié)議要求使用雙極性歸零碼進行通信，分為高速和低速兩種模式，而且要求上升、下降沿的時間為高速1.5±0.5us，低速10±5us。為控制實現(xiàn)兩種邊沿時間特性，采用74HC125控制充電時間常數(shù)實現(xiàn)軟件對高低速的控制。ARINC429標準規(guī)定的電平標準為±5V，時間特性參考[2]。

ARINC429的收發(fā)電路需要實現(xiàn)數(shù)字量和雙極性模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換。目前市面上有集成的芯片，但考慮到使用集成芯片成本高，且不具有過流保護的功能。故通過積分電路、差分放大電路、比較電路和保護電路設(shè)計了滿足ARINC429 特性的集成電路[4]。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)代碼邏輯設(shè)計

本裝置使用Verilog HDL語言編寫FPGA部分的代碼，包括UART接收ARM數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)包校驗解析、429數(shù)據(jù)發(fā)送、429數(shù)據(jù)接收、內(nèi)容打包發(fā)送五大部分。軟件發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包的流程如圖2圖3所示。

設(shè)計了一種ARM與FPGA通信協(xié)議。如表1所示：數(shù)據(jù)包為10位的固定長度，第0位和第9位用作數(shù)據(jù)包的校驗;第1位表示數(shù)據(jù)區(qū)的長度;第2-5位組成一個429數(shù)據(jù);第6位為通道選擇位，可選擇使用系統(tǒng)的0或1通道發(fā)送當前數(shù)據(jù);第7位為速度選擇，選擇當前數(shù)據(jù)發(fā)送為高速或是低速;第8位為第1-7個數(shù)據(jù)的校驗和。

3.2 無線通信設(shè)計

無線通信使用基于ESP8266的WIFI模組實現(xiàn)，該模組內(nèi)部自帶固件，使用AT指令進行配置。裝置將模組配置成UDP透傳模式，即設(shè)備開機工作時，自動創(chuàng)建WIFI網(wǎng)絡(luò)，等待運行上位機的設(shè)備進行連接，連接成功后，通過UDP的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[3]。

3.3 上位機設(shè)計

上位機程序設(shè)計基于Windows操作平臺，使用無線網(wǎng)絡(luò)與硬件電路透傳數(shù)據(jù)。頁面設(shè)計布局基于HTML+JAVASCRIPT+CSS。C++通過Windows API控制顯示界面邏輯。航空總線交互協(xié)議，以及相關(guān)標準、設(shè)計規(guī)范參考遵循ARINC604規(guī)范[5]，本文不再贅述。

4 實驗結(jié)果

經(jīng)實驗測試，裝置發(fā)送的ARINC429數(shù)據(jù)滿足協(xié)議要求的標準，接收電路可將外部輸入的429數(shù)據(jù)解碼還原。裝置與AMU4031維護總線連接通信，去除包頭包尾后提取的交互數(shù)據(jù)，如表2所示。上位機程序解碼后顯示的維護頁面及故障信息，如圖4所示。

參考文獻

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[2] ARINC-429-protocol-tutorial V1.07[S].2004.

[3] 黃玉金，楊越，薛偉，張?zhí)斐?無線模塊的AT指令UDP透傳設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2018，25（01）：34-36+33.

[4] 孫戈東.TTL電平信號與ARINC429信號的轉(zhuǎn)換[J].通訊世界，2015（02）：61.

[5] 宋明瑜.機載集中故障顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化模型的研究[D].中國民航大學(xué)，2013.

Design of Aircraft Component BITE Information Extraction Device

FENG Xing，WEI Shi-hao，ZHU Yi，CUI Hai-qing

（Department of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China，TianJin? 300300）

Abstract：In order to solve the problem that it is difficult for the maintenance department of aircraft accessories to get the BIT information of component， which makes maintenance more difficult， designed a portable aircraft component information extraction device. The device is based on FPGA and ARM controller， and the bus interface unit is designed with peripheral analog circuit. The upper computer is based on C++ to achieve decoding fault data. This device does not rely on the MCDU and CFDIU devices in the cockpit of the aircraft. It can independently read the information of aircraft components， and can also wirelessly communicate with the interactive interface within a short distance， and finally extract the fault location of components. The system design and experimental results are presented in this paper.

Key words：CFDIU; aircraft components; FPGA; ARINC429