基于虚拟仪器的ARINC429总线校准装置

朱 岩, 王文健, 付 巍

(1. 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所， 北京 100095；2. 中北大学 电气与控制工程学院， 山西 太原 030051)

0 引 言

ARINC429总线是现代航空电子通讯系统中应用最广泛的一种数据总线[1,2]. 在运输机和相当数量的民航客机以及军用飞机的电子通讯系统中大量采用ARINC429总线作为航空数据传输的载体[3]. 为了保障飞机上安装的ARINC429总线装置运行的可靠性， 在飞机装配阶段以及飞机交付使用一段时间后都要对飞机上安装的ARINC429总线装置的性能进行测试. 在地面上能够实现ARINC429总线装置性能测试的是ARINC429航空数据总线测试台. 而为了保证ARINC429航空数据总线测试台测试能力的可靠性， 通常每年需要对其测试性能进行计量校准. 因此， 为了满足ARINC429航空数据总线测试台计量校准的需求， 有必要研制一套校准装置， 该校准装置不仅能够产生满足ARINC429总线规约特性的电气信号， 还能够接收并识别ARINC429总线信号， 以实现对ARINC429航空数据总线测试台输入、 输出电气特性的计量校准.

本文提出的校准装置基于虚拟仪器设计实现， 能够按照计量校准的需要实现输出传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数连续可调的总线信号到ARINC429航空数据总线测试台， 也能够接收从ARINC429航空数据总线测试台输出的总线信号， 并计算出总线信号的传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数以及数据帧结构、 误码率、 协议信息等规约特性.

1 ARINC429总线协议

ARINC429总线在数据传输过程中， 采用双极性归零码编码方式[4,5]， 传输信号是由高电平、 零电平、 低电平组成的3电平状态编码. 两条线路的差分信号逻辑关系有3种： 在没有噪声情况下， 当A-B的差分电压为6～10 V时， 表示逻辑高电平； 当A-B的差分电压为-0.5～0.5 V时， 表示零电平； 当A-B的差分电压为-10～-6 V时， 表示逻辑低电平. 但是， 在实际的数据传输过程中， 信号电平会受到噪声和脉冲畸变的干扰. 对于ARINC429总线接收端， 其电压允许范围为高电平：6.5～13 V， 零电平：-2.5～2.5 V、 低电平：-13～-6.5 V； ARINC429总线传输速率的范围为12.5～100 kbps， 传输字符为32 b， 分为5个基本区域， 分别为标识符、 SDI, Data、 符号位、 状态位和奇偶校验位.

2 校准装置的硬件系统

2.1 ARINC429总线信号输出模块

校准装置应能够按照计量校准的需要实现输出传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数连续可调的总线信号到ARINC429航空数据总线测试台， 以实现对ARINC429航空数据总线测试台输入接口电气特性的计量校准.

ARINC429总线协议规定总线采用差分方式传输数据， 因此， 为了产生两路差分信号， ARINC429总线信号的输出模块使用两块相同型号的任意波形发生器卡， 分别产生相位相反的信号， 模拟ARINC429总线的两条差分传输线上的差分信号， 任意波形发生器卡通过工控机的内部总线时钟实现输出信号的同步触发， 触发时间偏差小于20 ps. 任意波形发生器卡输出信号的电平范围为±10 V， 分辨率为16 b， 输出阻抗可选择50 Ω或75 Ω， 能够满足对总线差分信号幅度可调的校准要求. 任意波形发生器卡输出的最大方波频率为50 MHz， 上升时间小于1.8 ns， 下降时间小于2.1 ns， 方波畸变为6%， 也能够满足ARINC429航空数据总线测试台输入接口电气特性校准的需要. ARINC429总线信号输出模块原理如图 1 所示.

图 1 ARINC429总线信号输出模块原理图Fig.1 ARINC429 bus signal output module schematic

2.2 ARINC429总线信号接收与识别模块

校准装置还应能够接收从ARINC429航空数据总线测试台输出的总线信号， 并计算出总线信号的传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数以及数据帧结构、 误码率、 协议信息等规约特性.

根据ARINC429总线协议的规定， 总线采用差分方式以12.5～100 kbps的传输速率传输数据. 为了不失真地接收到从ARINC429航空数据总线测试台输出的总线信号， 校准装置应使用具有差分通道的数据采集卡， 以10 MHz的采样频率同时采集ARINC429总线的两路差分信号， 然后， 根据ARINC429总线协议规范对采集到的数据帧进行分解， 计算出总线信号的传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数以及数据帧结构、 误码率、 协议信息等规约特性. ARINC429总线信号接收与识别模块原理如图 2 所示.

图 2 ARINC429总线信号接收与识别模块原理图Fig.2 ARINC429 bus signal receiving and identification module schematic

2.3 校准装置总体结构

校准装置主要采用基于PXIe总线的设备和外围具有通道切换、 信号调理、 阻抗匹配等功能的电路构成， 如图 3 所示.

图 3 校准装置总体结构示意图Fig.3 Calibration device overall structure diagram

校准装置的硬件系统由电源系统、 基于PXIe总线的机箱、 中央控制器、 基于PXIe总线的功能板卡和与之配套的控制箱等构成. 其中， 基于PXIe总线的功能板卡包括：高速数据采集卡、 高性能数据存储示波器卡、 任意波形发生器卡等功能板卡. 与基于PXIe总线的功能板卡相配套的控制箱由阻抗匹配电路、 信号调理电路、 信号隔离电路、 接口转换电路等电路单元组成， 用于实现与ARINC429航空数据总线测试台的接口匹配和信号调理、 隔离、 转换等功能.

校准装置的软件系统采用LabVIEW软件设计实现. 软件系统具有总线数据帧信号输出、 总线数据帧信号输入、 校准结果处理、 校准报表生成等4个组成部分， 其中总线数据帧信号输出部分具备输出信号幅度、 传输速率、 带宽分配间隔、 数据帧信号位码设置等调节和设置的功能； 总线数据帧信号输入部分具备采样频率设置、 采样方式设置、 触发方式设置、 总线数据帧解码和分析、 总线电气特性参数提取和计算等功能； 校准结果处理部分具备总线电气特性参数校准结果处理和计算、 总线规约特性校准结果处理和分析等功能； 校准报表生成部分具备表格生成、 校准结果数据和校准信息自动填充等功能.

3 实测结果

3.1 ARINC429总线信号输出功能测试

为了对校准装置的功能进行测试， 选用了Alta Data Technologies LLC公司生产的PMC-A429板卡作为被校准的ARINC429总线设备， 该板卡能够按照需要产生和输出ARINC429总线信号， 也能接收和显示ARINC429总线信号.

校准装置由软件控制实现ARINC429总线信号的输出功能， 其程序界面如图 4 所示. 该程序首先按照输入的标识符位、 SDIData位、 符号位、 状态位、 奇偶校验位形成一帧完整的ARINC429总线信号并显示在图形窗口中. 然后， 按照输入的波特率、 差分电压幅值、 上升/下降时间参数形成符合校准要求的ARINC429总线信号， 输出到PMC-A429板卡的接口. PMC-A429板卡接收到总线信号后， 对总线信号进行解码， 并显示在窗口中， 如图 5 所示.

图 4 ARINC429输入特性测试界面Fig.4 ARINC429 input feature test interface

图 5 PMC-A429板卡接收ARINC429总线信号窗口Fig.5 PMC-A429 board receives ARINC429 bus signal window

3.2 ARINC429总线信号接收与识别功能测试

控制PMC-A429板卡输出的ARINC429总线信号到校准装置， 操作界面如图 6 所示. 由校准装置的软件对ARINC429总线信号进行分解， 计算出总线信号的传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数， 程序界面如图 7 所示.

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

图 7 ARINC429输出特性测试界面Fig.7 ARINC429 output feature test interface

通过使用PMC-A429板卡作为被校准的ARINC429总线设备， 对校准装置的功能进行测试， 测试结果表明校准装置能够按照计量校准的需要实现输出传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数连续可调的ARINC429总线信号， 也能够接收ARINC429总线信号， 并计算出总线信号的传输速率、 脉宽、 差分信号幅度、 上升/下降时间等电气特性参数以及数据帧结构、 误码率、 协议信息等规约特性.

4 结 论

ARINC429航空数据总线测试台需要计量校准的电气特性参数较多， 以往的校准方法常需要很多的校准仪器才能实现对其工作特性进行校准. 同时， ARINC429航空数据总线测试台又具有很多需要校准的通道， 完成众多通道的校准需要很长的时间.

本文提出的基于虚拟仪器的校准装置， 采用集成化设计， 不需要很多的校准仪器， 体积小， 便于携带. 操作过程采用一键式实现， 在校准过程中， 只需要将被校准的总线通道与校准装置的相应校准通道相连， 然后点击操作界面上的一个按钮， 就能够实现对ARINC429航空数据总线测试台的输出、 输入的电气特性的校准， 极大地提高了ARINC429航空数据总线的校准效率.