基于HI-3593的ARINC429總線數據監控設計

楊慶華，高夢贊，屠曉偉

(上海大學機電工程與自動化學院,上海 200444)

0 引言

目前，航空綜合測試平臺向著綜合化、模塊化、通用化、智能化方向發展。在A320、B737、ARJ21、C919等機型中，ARINC429總線應用位置眾多。當前，針對ARINC429總線數據收發的裝置設計主要分為以下三類：基于現場可編程門陣列(field programmable gate arrcly,FPGA)的多功能ARINC429總線接口，實現ARINC429數據收發[1-2]；面向儀器的外圍組件互連(peripheral component interconnction,PCI)擴展(PCI extensions for instrumentation,PXI)板卡的ARINC429總線數據收發單元[3-5]，實現數據收發；基于集成ARINC429總線協議芯片實現總線信息收發[6-7]。本文采用HI-3593集成協議芯片實現數據收發，采用USB協議和網絡通信協議實現數據傳輸，采用近端和遠端同步監控模式，更加便捷地進行工廠化調試分析。

1 HI-3593收發裝置設計與原理分析

ARINC429總線標準使用兩根信號線傳輸32位的數據幀數據，以脈沖形式發送。ARINC429總線數據幀格式如圖1所示。

圖1 ARINC429總線數據幀格式Fig.1 ARINC429 bus data frame format

由圖1可知，數據幀包含奇偶校驗、符號狀態矩陣(sign status matrix,SSM)、數據源終端識別(source/destination,identifier,SDI)和標志位(LABEL)五個主要字段[8]。 LABEL為傳輸信息的類型；SDI為源/目的標志；Data為數據區；SSM為符號/狀態位；Parity為奇偶校驗;

HI-3593是HOLT集成電路公司生產的集成化的ARINC429總線數據接口芯片。它能夠同時管理2路接收通道和1路發送通道。它的每一路通道內存均為獨立存儲空間，可同時進行多通道數據交互。HI-3593采用3.3 V單電源供電，使用高速10 MHz串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)與主控CPU通信，實現系統初始化配置和收發數據功能。其便捷的使用方式和準確的收發性能使得ARINC429數據交互變得更加簡便。

1.1 ARINC429數據收發控制器結構和原理

HI-3593數據收發控制器由三大部分組成，分別為接收通道RX1、接收通道RX2、發送通道TX1。

HI-3593收發原理如圖2所示。

圖2 HI-3593收發原理圖Fig.2 HI-3593 transceiver schematic

接收通道由接收端口、驅動器、有效字檢查模塊、LABEL過濾模塊、數據緩沖區、接收完成中斷提示等組成。發送通道由數據發送緩沖區、數據格式化轉換器、驅動電路、輸出接口等組成。其中：驅動器負責收發的電平轉換；有效字檢查模塊對接收的每一位數據進行采樣判斷；LABLE過濾可以選擇不同LABEL通道進行數據接收。

1.2 HI-3593工作模式

HI-3593ARINC429數據收發器的工作模式為自測模式、正常模式。自測模式下，通過SPI總線配置發送控制寄存器工作模式為SELFTEST，無需外部引線連接，內部控制線路將收發接口自動對接，并通過自收發方式驗證系統是否正常工作。正常工作模式下，發送通道和接收通道都支持低速12.5 kbit/s和高速100 kbit/s通信速率，各通道獨立工作。

1.3 收發操作

ARINC429總線數據接收狀態，首先配置接收通道控制寄存器，主要包括ARINC通信速率、SDI數據位、奇偶校驗、LABEL過濾器使能。配置完成后，等待數據接收完成中斷標志位。接收到數據接收完成標志后，通過SPI總線讀取數據接收緩沖區數據，完成一次數據接收。

ARINC429總線數據接收狀態。首先，配置發送通道控制寄存器，主要包括ARINC通信速率、奇偶校驗、關閉自測模式、選擇數據發送自動模式或手動模式。自動模式下，將發送數據寫入發送緩沖區后，系統會自動控制發送；手動模式下，需要發送開始控制碼0x40，隨后系統執行發送命令。

2 ARINC429總線監控系統設計

2.1 系統設計架構

系統設計結構如圖3所示。

圖3 系統設計結構圖Fig.3 System design structure diagram

監控系統由2路ARINC429數據接收通道、1路發送通道、HI-3593數據收發控制模塊、ARM處理器、電源管理模塊、可視化監控界面、阿里云遠程監控平臺組成，可實現近端和遠端同時數據數據采集、解析、分析功能。

2.2 系統硬件原理圖

系統設計采用模塊化設計準則。系統硬件連接如圖4所示。

圖4 系統硬件連接圖Fig.4 System hardware connection diagram

系統硬件包含四大模塊：主控模塊、HI-3593模塊、WiFi模塊、電源管理模塊。HI-3593核心轉換模塊需要外部晶振。本文采用4 MHz有源晶振，采用4分頻產生系統所需1 MHz采樣時鐘。其次，還需要兩個外接電容實現單3.3 V電源轉換為ARINC429總線協議所需要的正負6.5 V輸出電平信號。WiFi模塊采用ESP8266WIFI，其抗干擾能力強、傳輸可靠、功耗低。電源管理模塊包括鋰電池充電模塊、充放電保護模塊、過熱保護模塊、升壓模塊。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 數據采集板軟件設計

本文采用stm32f103c8t6控制器控制HI-3593數據收發器的工作狀態。系統數據接收模式為中斷接收。當接收通道完成數據接收后，對應的中斷接收標志位就會產生一個低脈沖信號作為中斷源，控制器開始讀取緩沖區的接收數據。HI-3593軟件設計流程如圖5所示。

圖5 HI-3593軟件設計流程圖Fig.5 HI-3593 software design flowchart

2.3.2 監控端數據解析

飛機上的ARINC429總線數據一般采用自定義編碼方式傳輸，因此數據解析也要按照飛機數據傳輸標準解析表去解析。ARINC429總線數據量較大，傳統的單協議解析方式無法滿足多種類飛機信息解析需求[9]。因此，采用接口控制文檔(intrerface control document,ICD)數據文檔解析方式，可直接將飛機廠家生產廠家的飛機數據傳輸標準導入ICD數據庫，每次根據LABLE號查找對應解析ICD進行數據解析。本文以ARJ21飛機控制系統中的空氣溫度傳感器數據采集為例，數據解析表如表1所示。

表1 數據解析表Tab.1 Data analysis table

數據查找讀取解析文件程序代碼如下。

string connString = "server=localhost;database=arinc429;uid=admin;pwd=123456";

MySqlConnection conn = new MySqlConnection(connString);

conn.Open();

string sql = "select 211 from LABEL";

List mysqldata = new List();

MySqlDataReader readdate;

MySqlCommand mysqlcom = conn.CreateCommand();

mysqlcom.CommandText = sql;

readdate = mysqlcom.ExecuteReader();

for(int i=0;i<22;i++)

{

mysqldata.Add(readdate.GetString(i));

}

3 結論

本文實現了對ARINC429總線數據收發系統的設計。首先，設計了基于HI-3593集成芯片的數據收發電路，實現了多種ARINC429數據通信速率兼容接口。其次，采用簡易化模塊使用配置，可直接通過上位機實時修改模塊工作模式、狀態，并自動保存。最后，設計了近端和遠端可視化監控界面對ARINC429總線節點數據實時數據采集、解析、分析功能。數據解析采用ICD接口文檔方式，可解決不同節點數據格式不同難題，提高解析結果正確性和可靠性。 小型化、模塊化、低功耗的設計，可使該系統靈活應用于工廠化測試。