一种ARINC825总线通信接口可靠性设计方法研究

张 鹏，吴晓东，崔海青

(中国民航大学，天津 300300)

0 引言

近年来，飞机驾驶舱电子系统正逐步由模拟控制阶段向全数字控制阶段转变，功能也有了进一步的扩展，航空电子设备间有着更高的数据通信和传输可靠性的要求［1］。为此，航空电子工程委员会 (AEEC)于2007年编制出版了ARINC 825规范。ARINC 825规范基于CAN总线，规定了子系统间的通信行为，包括寻址机制、通信机制、服务结构以及概要描述，定义了使用CAN的机载系统的通信标准，被视为当前和未来飞机的重要数据传输方式［2］。目前空客公司和波音公司生产的新一代民航客机已经将ARINC825总线作为辅助子系统总线，应用于发动机控制、飞行控制和驾驶舱控制面板等子系统网络中［3］。

本文以驾驶舱控制面板为例，分析了ARINC825总线的主要特点，结合驾驶舱控制面板通信要求，使用双电源供电机制，设计了一套具有较高可靠性的双链路冗余的ARINC825通信接口设备。并通过“时间触发总线调度”技术对通信接口可靠性进行分析。

1 系统分析

1.1 驾驶舱控制面板通信分析

现代飞机驾驶舱控制面板承担着飞行员与飞机系统间的交互功能。控制面板的控制装置种类繁多，既包括传统的开关、电位器、键盘和光标定位器等，又包括现代的触摸液晶屏和语音控制设备等。它们控制EFIS、PFD、ND等显示系统的切换、信息输入和其他的交互操作［4］。ARINC825总线具有可靠性高、抗干扰能力强、实时响应好、体积小、重量轻、通讯速率高及易扩展的优点［5］，能够满足驾驶舱内控制面板的通信要求。控制面板产生的交互数据经通信接口设备转换为ARINC825数据，发送到通信总线上;同时要将从ARINC825总线上传输过来的数据解码发给控制面板。驾驶舱控制面板通信接口功能架构如图1所示。

1.2 ARINC825协议分析

ARINC825协议是基于CAN总线高层协议的进一步改进而成，其电气特性、传输速率等符合ISO－11898标准，通信链路由节点互连的120 Ω屏蔽双绞线电缆组成。

为了在飞行器上使用 CAN总线，ARINC825对CAN2.0B协议做了进一步修改，ARINC825在CAN总线的物理层和数据链路层的基础上，在网络层增加了路由、数据包和流量控制等功能;在传输层增加了逻辑通道，数据重传等功能;在表示层中增加了数据表示和数据标准化等功能。与原来的CAN总线相比，ARINC825网络没有传统网络上的主从节点之分，所有的节点具有相同权限。通过对29位识别符扩展帧进行重新编码实现逻辑通信信道(LCC)，函数标识符 (FID)，数据对象代码 (DOC)等的划分，用于实现节点寻址和数据流控制等功能。还拥有紧急故障检测机制，受影响的节点能自动检测到故障［6］。

ARINC825协议除了具有CAN总线传统的ATM(Anyone－to－Many) 传输模式，还具有 PTP(Peer－to－Peer)传输模式。ATM通信的优势在于能够与网络中所有的节点建立持续的数据链接，但是ATM需要处理非自身的数据包，增加了接收节点的工作量。PTP通信允许网络中的一个节点向另一个节点发送数据，实现类似服务器/客户端类型的交互。在网络中同时实现ATM和PTP两种通信模式，需要网络层具有标识和隔离数据的能力，ARINC825使用CAN的识别符扩展帧的高3位作为逻辑通信通道标识，ARINC825的PTP传输模式和ATM传输模式的通信数据结构如图 2 所示［7］。

图2 ARINC825的通信数据结构

2 系统设计

ARINC825总线使用冗余信道标识 (RCI)标记冗余链路或节点，最多支持四冗余结构。本文设计的通信接口使用并列式双冗余总线架构。主控芯片选择STM32F207单片机，内部包含两个CAN通信模块，实现CAN网络底层的通信功能。应用层的处理控制算法通过软件编程实现。通信接口的硬件原理如图3所示。通信接口通过串口与控制面板进行数据通信，将接收到的数据封装为ARINC825格式的数据包，发送到双冗余的链路上;ARINC825总线上传输过来的数据经过解码发给控制面板。通信接口以10 ms为周期，进行周期性数据发送，通信速率为250 kbit/s，用于驾驶舱内部电子系统间的数据通信，通信距离小于20 m。

2.1 通信接口设计

图3 通信接口的硬件原理图

CAN通信芯片选择TJA1050，TJA1050是一种标准的高速CAN收发器，可以为总线提供差动发送功能，为CAN控制器提供差动接收功能。TJA1050完全兼容ISO－11898标准，最高通信速度1Mbps，能够满足ARINC825通信标准需要。同时，TJA1050采用SOI技术降低电磁干扰，有电源短路保护功能［8］。

在实际应用中，有可能发生输入端电源不稳定或总线浪涌脉冲，会导致电路中存在高频瞬时干扰，这将会对电路造成很大破坏，如果不加以适当防护就会损坏通信接口，甚至损坏后级电路。对于这种瞬时干扰可以采用隔离的方法加以防护。其次，远程数据通讯通常存在很大的地电位差，该电位差到了发送器的输出上就变成了共模噪声。如果这种噪声过大，就有可能超过接收器的输入共模噪声容限，从而对器件造成损坏。电源隔离模块采用 BS0505，BS0505是常用的电源隔离模块，具有效率高、体积小、可靠性高、隔离特性好的特点。使用ADuM1201双通道数字隔离器，将CAN通信芯片和单片机进行隔离，这样即保证没有回路电流，同时也保证电路的安全性，满足航电系统的可靠性要求。CAN通信接口原理图如图4所示。

图4 CAN通信接口原理图

2.2 冗余电源系统设计

通信接口的电源为了满足航电系统的可靠性要求，保证电源供电的有效可靠，设计使用双电源供电。航电系统一般采用28 V直流供电，单片机系统使用5 V供电，使用MP1584降压型转换器进行电压转换。MP1584输出5 V时，有效的电压输入是8～28 V。供电电路上串联一个47 Ω的限流电阻R保证时电流不会过载。考虑到在电源切换时要保证单片机的正常运行，需要保证断电时供电时间需要大于200 ms，使用电容储能的方式，保证在电源切换时单片机正常工作，初始时刻，电容两端的电压为28 V，t时刻后，电容两端电压Ut为:

需要保证t＞200 ms，Ut＞8 V，可以得出电容C应大于339 μF。为保证断电时供电要求，选择1 000 μF电容能够完全满足要求。

电源切换电路使用光耦继电器，光耦继电器能够快速完成电源切换，几乎不产生干扰。光耦继电器最大通过电流为100 mA。通信接口的工作电流最大不会超过150 mA，选用双光耦继电器作为电源切换器件，保证系统的正常工作。电源切换电路原理图如图5所示。

图5 电源切换电路原理图

使用单片机STM32F207内部集成的AD转换接口，对直流电源进行分压采样，用于电源电压监控。系统上电后默认使用电源1，当电源1不能满足电源质量18～30 V的要求时，单片机控制光耦继电器使能引脚，电源切换到备用电源2上。

2.3 通信接口的软件实现

本文使用模块编程来编写通信接口软件程序，包括了输入输出模块、数模转换模块、故障处理模块、通信数据模块、CAN通信模块。输入输出模块用于控制和显示通信接口的功能状态;数模转换模块主要对电源和主板状态进行监控;故障处理模块完成故障判断和处理功能;通信数据模块功能是对传输的数据进行预处理和对CAN通信协议的高层进行修改，使其满足ARINC825协议。

在系统工作之前的主要进行功能初始化，对使用的端口进行寄存器配置并使能，需要完成的配置有GPIO离散量定义、ADC数模转换定义、UART串口通信初始化、ARINC825通信协议设定、CAN通信初始化、系统时钟初始化和中断配置。完成系统初始化后，对主、副电源进行检测，如果主电源不满足18－30V的电压要求，系统自动切换到备用电源。

2.3.1 ARINC825信息的冗余发送

控制面板的控制器对面板上的操作进行处理，通过串口将数据传输到通信接口，通信接口对这些数据进行处理后，发送到ARINC825总线上。

进行串口数据转为ARINC825总线数据时，需要定义一个状态机用于接收处理字符串数据。如图6所示，状态机默认状态是Finished，当接收到起始标志“*”，状态机状态变为GetHeader，当处在GetHeader状态时，如果接收到结束标志“#”就会进入SAVE_WORKING状态;SAVE_WORKING状态会将缓存内的数据存到数组变量中当，处理完成后，状态机状态变为Finished。数组变量中的数据即是待发送的数据包。通信数据模块为待发送数据包进行SN序列号填充，填充组装完成的数据帧会在两条相互冗余的链路上同时进行发送。数据帧的 SN序列号由0递增到255，之后再从0开始计数。接收端再接收到数据帧时，会检测SN序列号，对相同SN序列号的数据帧会进行去冗余操作，同时也能够检测出传输过程中丢帧错误。

图6 串口数据接收状态机

2.3.2 ARINC825信息的冗余接收

ARINC825总线在接收数据时，需要对并联双冗余通信链路上接收到的数据帧进行SN序列号的检查，对出现错误的数据包进行过滤。主控芯片的任意一个CAN模块在接收完一帧数据后，会触发通信处理中断。通信时，当一路CAN总线通信中断被触发，中断处理程序开始读取数据包，首先会对数据进行完整性校验，如果数据完整，通过SN序列号判断是否在冗余通道上收到过此数据，如果不存在，则说明是有效帧，将SN序列号记录到内存当中。如果存在，说明此数据帧是冗余数据，对有效载荷内的数据做一致性检测，不通过，则丢弃当前帧。数据接收的程序框图如图7所示。

图7 ARINC825数据接收程序框图

3 负载分析和测试

3.1 总线负载分析

为了对总线节点进行传输控制，ARINC825使用“时间触发总线调度”技术。时间触发总线控制基于两个概念，即主时间帧 (Major Time Frame)和次时间帧 (Minor Time Frame)。主时间帧为总线中所有的周期性消息至少传输一次的时间长度，次时间帧 (Minor Time Frame)为总线中传输频率最大的帧的周期。同一时间帧内的数据帧采用多主竞争发送。只要控制总线中各个节点在次时间帧中的数据发送，就可以保证总线节点间通信的确定性［9］。计算总线负载时，需要选取一个时间片段进行分析，使用时间间隔最小的次时间帧作TransmissionInterval进行计算分析，能够得出最大的总线负载。ARINC 825基于CAN2.0B通信协议，使用了29位标识符扩展帧，数据帧长度与有效载荷有关，计算公式如下:

在计算数据帧长度时需要考虑填充位，其计算公式如下:

有效载荷与数据帧长度的计算结果如表1所示。

总线负载计算公式如下:

表1 数据帧长度计算值

NumMessages指此时间段内的消息帧传输次数。TransmissionInterval指所选时间段的时间长度。DataRate指总线传输速率，单位bit/s。总线负载计算公式仅用于周期性消息帧的负载计算，非周期性消息帧的负载计算需要先将其等效转换为周期性消息，再进行计算［10］。

图8 时间触发总线调度机制的时序原理图

如图8所示，本文设计的通信接口需要每10 ms进行一次数据帧的传输，设计的通信速率为250kbit/s。总线上同时会有4个ARINC825节点进行数据通信，采用短帧结构，有效载荷为8 bit。总线负载使用公式 (4)进行计算得:

ARINC825协议的最大带宽利用率在理想的情况下可以达到80%以上，考虑到事件消息和错误帧可能需要额外的总线带宽，设计时应预留一部分总线带宽，建议的总线负载不超过50%［11］。本文设计的总线接口速率完全能够满足通信要求，如果需要扩展节点数量，此设计下最大的节点数量不应该超过8个。如果有更多的节点需求，就需选择更高的总线通信速率或者进行节点分网。

3.2 通信接口的验证

选用4个通信接口设备组成4节点ARINC825通信网络组成验证平台，将测试用控制面板接入通信接口模块上，使用28 V直流电源为系统供电。使用CAN网络分析仪接收ARINC825网络的数据包，通过USB连接到计算机的上位机，监视通信数据。测试用的控制面板为按键键盘，按下相应的按键，会触发控制面板的按键中断，通过串口将按下的键位发送给通信接口模块，通信接口将位置编码到ARINC825数据包的有效载荷内，通过计算机上位机观察是否接收到相应的指令，验证ARINC825通信接口是否正常工作。实验结果如图9所示。

图9 测试接收数据

实验选取其中帧ID为0833045数据帧进行分析，上位机软件能够定时接收到此设备发送过来的数据帧，在按下测试用控制面板的相应按键后，上位机软件立即接收到相应的数据帧。通过比较每个数据帧之前SN序列号，依次为连续递增，表示数据没有发生丢失。

导出捕获的ARINC825网络数据包，统计时间标识，计算每个数据帧的时间间隔，如表2所示。

表2 时间标识与时间间隔

通过统计计算1000个数据帧的时间间隔，得出平均时间间隔为9.6 ms，数据帧的时间间隔波动是由于ARINC825总线存在多个发送节点，节点间存在总线竞争，当总线被其他节点占用时，此设备会自动竞争下一个总线使用权限，通过“时间触发总线调度”机制可以保证10 ms的周期发送要求。

4 结束语

本文基于ARINC825协议设计一套双冗余的通信接口设备，使用冗余供电，数据冗余收发保证设备的可靠性。通过“时间触发总线调度”技术进行传输控制，保证总线负载不超过设计值。通过实验表明设计的通信接口设备能够满足驾驶舱控制面板通信。对于ARINC825总线技术应用于驾驶舱控制面板间的数据通信具有实际意义。